KR20240077447A - 파우치형 이차 전지 - Google Patents

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KR20240077447A
KR20240077447A KR1020230164467A KR20230164467A KR20240077447A KR 20240077447 A KR20240077447 A KR 20240077447A KR 1020230164467 A KR1020230164467 A KR 1020230164467A KR 20230164467 A KR20230164467 A KR 20230164467A KR 20240077447 A KR20240077447 A KR 20240077447A
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이유진
박은숙
김상훈
유형균
이재호
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주식회사 엘지에너지솔루션
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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 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 포함하고, 상기 가스 유도부는 상기 전극 리드와 접하는 제1 층, 및 상기 제1 층 상에 배치되는 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층은 변성 폴리올레핀계 수지를 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 이종 재료인 전극 리드와 파우치형 필름 적층체 간 접합부에 가스 유도부를 배치함으로써, 파우치의 내부 압력이 높아지면 가스 유도부와 리드 필름의 계면이 개봉되어 파우치 외부로 가스를 배출시킬 수 있다. 그러나, 상기 계면이 개봉되는 경우 가스 유도부와 전극 리드 간 접착력이 약해짐으로써 가스 유도부가 전극 리드로부터 탈착되어 파우치 외측으로 밀리거나 파우치 내부로부터 유출된 전해액에 의해 전극 리드가 부식됨으로써 파우치의 내구성 및 안전성이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가스 유도부와 전극 리드 간 접착력을 향상시킬 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 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 유도부가 상기 전극 리드와 접하는 제1 층 및 상기 제1 층 상에 배치되는 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층이 변성 폴리올레핀계 수지를 포함하는 파우치형 이차 전지가 제공된다.
본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는 가스 유도부 중 전극 리드와 접하는 제1 층에 변성 폴리올레핀계 수지를 포함시킴으로써, 가스 유도부와 전극 리드 간 접착력을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 따라서, 파우치형 이차 전지를 전해액 고온 환경에서 저장하더라도 상기 파우치 가스 유도부가 전극 리드로부터 탈착되어 파우치 외측으로 밀리거나 파우치 내부의 전해액이 유출되는 문제를 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 파우치형 이차 전지는 전해액 및/또는 가스에 의한 전극 리드의 부식이 예방되어 우수한 내구성 및 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 예이다.
도 6은 파우치형 케이스가 개봉되기 전 파우치형 이차 전지의 단면도의 다른 예이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실링부의 상면 투시도이다.
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 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 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 포함하고, 상기 가스 유도부는 상기 전극 리드와 접하는 제1 층, 및 상기 제1 층 상에 배치되는 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층은 변성 폴리올레핀계 수지를 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.
실런트층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 폴리프로필렌(PP) 및/또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지로 이루어질 수 있다. 이 경우, 폴리프로필렌은 무연신 폴리프로필렌(Cast Polypropylene, CPP), 산 변성 폴리프로필렌(Acid Modified Polypropylene, PPa), 폴리프로필렌-에틸렌 공중합체 및/또는 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체로 구성될 수 있다.
실런트층의 두께는 30 ㎛ 내지 130 ㎛, 구체적으로 50 ㎛ 내지 120 ㎛, 보다 구체적으로 70 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 실런트층의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 실링부의 실링 강도를 확보하면서도 파우치 필름 적층체의 성형성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
한편, 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.
리드 필름(190) 및/또는 가스 유도부(200)와 직접 접하는 전극 리드(180)의 일면은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 산화 알루미늄(Al2O3), 지르코늄(Zr)계 무수산화물염 및 티타늄(Ti)계 무수산화물염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 코팅될 수 있다. 이 경우, 전해액에 대한 내부식성과 리드 필름(190) 및/또는 가스 유도부(200)와의 접착성을 확보할 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)에 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, 파우치형 케이스(110)의 외측 방향으로 돌출된 리드 필름(190)의 일단은 도 3 또는 도 5에 도시된 바와 같이 가스 유도부(200)가 아닌 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 접착으로, 리드 필름(190)의 개봉에 의한 내구성 저하를 최소화할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 가스 유도부(200)의 제1 층(210)이 제2 층(220)보다 파우치형 케이스(110)의 외측 방향으로 더 길게 형성될 수 있으며, 파우치형 케이스(110)의 외측 방향으로 돌출된 리드 필름(190)의 일단은 제2 층(220)이 아닌 제1 층(210)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) 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. 이 경우, 전극 리드(180)와 리드 필름(190) 사이의 영역 중에서 가스 유도부(200)가 배치된 영역에서는 전극 리드(180)와 리드 필름(190)이 직접 접하지 않으며, 가스 유도부(200)가 배치되지 않은 영역에서는 전극 리드(180)와 리드 필름(190)이 직접 접할 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 가스 유도부(200)를 보다 상세히 설명한다. 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)와 리드 필름(190) 사이의 계면은 평상시 개봉되지 않은 상태이며, 파우치형 케이스(110)의 내부 압력이 높아지면 가스 유도부(200)와 리드 필름(190) 사이의 계면이 개봉됨으로써 가스 배출 경로(300)가 형성될 수 있다. 파우치형 케이스(110) 내부의 가스는 가스 배출 경로(300)를 따라 이동한 후 리드 필름(190)을 투과하여 파우치 외부로 배출될 수 있다. 그 결과 파우치형 케이스(110)의 내부 압력을 낮추어 파우치형 케이스(110)의 폭발이나 발화를 방지할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 가스 유도부(200)는 전극 리드(180)와 접하는 제1 층(210), 및 상기 제1 층(210) 상에 배치되는 제2 층(220)을 포함한다.
제1 층(210)은 전극 리드(180)와 접하며, 가스 유도부(200)를 전극 리드(180)에 접착시키기 위한 것일 수 있다.
제1 층(210)은 전극 리드(180)와의 접착이 용이한 임의의 소재를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 층(210)은 변성 폴리올레핀계 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다. 파우치형 케이스(110) 내부에서 발생된 가스는, 파우치형 케이스(110)의 내부 압력이 상승함에 따라, 리드 필름(190)과 가스 유도부(200)의 계면이 개봉되면서 가스 배출 경로(300)가 형성되고, 이 경로를 통해서 배출될 수 있고, 이에 케이스(110)의 내압이 낮아질 수 있다. 그런데, 가스 유도부(200)가 전극 리드(180)와 접착되는 면은 상기 제1 층(210)인데, 제1 층(210)과 전극 리드(180)의 접착력이 충분하지 않으면 가스 유도부(200)가 전극 리드(180)로부터 탈착되거나 외측으로 밀려 내부의 전해액이 누액되는 문제가 발생할 수 있다.
그러므로, 본 발명과 같이, 가스 유도부(200)를 전극 리드(180)에 고정해주는 제1 층(210)에 변성 폴리올레핀계 수지를 포함하는 경우 가스 유도부(200)와 전극 리드(180) 간 접착력이 향상되므로, 파우치형 이차 전지를 고온 환경에서 저장하더라도 전술한 것과 같은 가스 유도부(200)가 전극 리드(180)로부터 탈착되는 문제나 내부의 전해액이 유출되는 문제를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 층(210)은 전술한 것과 같이, 케이스(110)의 외측 방향으로 상기 제2 층(220)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.
제1 층(210)에 포함되는 변성 폴리올레핀계 수지는 산 변성 폴리올레핀과, 실란 변성 폴리올레핀 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
산 변성 폴리올레핀은 폴리올레핀 수지에 대하여 산으로 그래프트 변성한 것을 의미한다. 예를 들어, 산 변성 폴리올레핀은 폴리올레핀 수지에 불포화 카르복실산을 반응시켜 카르복실기를 도입(그래프트 변성)한 것일 수 있다. 이 경우, 불포화 카르복실산은 카르복실산 무수물의 개념을 포함하고, 카르복실기는 카르복실산 무수물기의 개념을 포함하는 것일 수 있다. 폴리올레핀 수지에 반응시키는 불포화 카르복실산으로는 말레산, 푸마르산, 이타콘산, 시트라콘산, 글루타콘산, 테트라하이드로프탈산, 아코니트산, 무수 말레산, 무수 이타콘산, 무수 글루타콘산, 무수 시트라콘 산, 무수 아코니트산, 노르보르넨디카르복실산 무수물 및 테트라하이드로프탈산 무수물으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이 중에서도 가스 유도부(200)와 전극 리드(180) 간 접착 강도를 향상시킬 수 있도록 무수 말레산을 적용하는 것이 바람직하다. 산 변성 폴리올레핀은 PPa(acid modified polypropylene) 및 PEa(acid modified polyethylene)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
실란 변성 폴리올레핀은 폴리올레핀 수지에 대하여 불포화 실란 화합물로 그래프트 변성한 것을 의미한다. 실란 변성 폴리올레핀은 주사슬인 폴리올레핀 수지에 불포화 실란 화합물이 그래프트 공중합한 구조를 가질 수 있다. 실란 변성 폴리올레핀계 수지는 실란 변성 폴리프로필렌 수지 및 실란 변성 에틸렌-아세트산비닐 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 층(210)은 개질 처리된 것일 수 있으며, 상기 개질 처리로는 이온 주입 처리, 플라즈마 처리, 방사선 조사 처리, 열 처리 등을 들 수 있고, 고분자 층의 결합 구조를 변화시키는 처리가 바람직하다. 이들 개질 처리는 1 종류를 단독으로 실시할 수도 있지만, 2 종류 이상을 조합하여 실시할 수도 있다. 개질 처리된 제1 층(210)은 플라즈마 처리된 PP(plasma-treated polypropylene)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 층(210)의 두께는 5 ㎛ 내지 130 ㎛, 구체적으로 30 ㎛ 내지 120 ㎛, 보다 구체적으로 30 ㎛ 내지 80 ㎛일 수 있다. 제1 층(210)의 두께가 상기 수치 범위를 만족하는 경우 정해진 생산 소요 시간(tact time) 내에 제1 층(210)이 용융됨으로써 가스 유도부(200)와 전극 리드(180)가 용이하게 융착될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 층(210)은 세라믹 필러를 포함할 수 있다. 상기 세라믹 필러는 제1 층(210) 총 중량 대비 1 중량% 내지 19 중량%, 구체적으로 5 중량% 내지 15 중량%, 보다 구체적으로 5 중량% 내지 12 중량%로 포함될 수 있다. 세라믹 필러의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 제1 층(210)을 통해서 얻고자 하는 전극 리드(180)와 가스 유도부(200)의 접착력에 영향을 주지 않으면서, 다양한 부반응에 의해 발생된 HF와 같은 가스를 흡착하여 전극 리드(180)의 부식을 방지할 수 있어, 내구성이 크게 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상기 세라믹 필러의 평균 입경 D50은 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 구체적으로 1 ㎛ 내지 10 ㎛, 보다 구체적으로 1 ㎛ 내지 6 ㎛ 일 수 있다. 평균 입경 D50이 상기 범위를 만족하는 경우에는 제1 층(210)을 제조할 때 압출 공정성을 우수한 수준으로 유지할 수 있고, 가스 유도부(200)의 제1 층(210)과 제2 층(220)의 박리 또는 전극 리드(180)로부터의 박리와 같은 필름 접착력이 문제되는 현상을 방지할 수 있다.
반면, 세라믹 필러의 함량이 리드 필름(190) 총 중량 대비 1 중량 % 내지 19 중량%이면서, 동시에 세라믹 필러의 평균 입경 D50이 1 ㎛ 내지 20 ㎛를 만족하는 경우, 파우치 내부에서 발생하는 가스를 용이하게 흡착함으로써 전극 리드와 파우치형 필름 적층체 간 접합부가 가스에 의해 부식되는 문제를 방지하여 높은 내구성을 달성할 수 있다.
상기 세라믹 필러는 CaCO3, Ca(OH)2, CaCl2, CaO, KOH, NaOH 및 Na2CO 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 세라믹 필러는 비용이 저렴하면서도 불산(HF)과 같은 가스를 용이하게 흡착하는 CaCO3 및 Ca(OH)2 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
추가적으로, 제1 층(210)은 전술한 세라믹 필러 이외의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 제1 층(210)에 첨가제를 포함시킴으로써 제1 층(210)의 물성을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 층(210)의 인장 강도를 조절하기 위한 첨가제로서, 탄소 섬유(Carbon fiber), 유리 섬유(Glass fiber) 및 아라미드 섬유(Aramid fiber) 중 적어도 어느 하나가 더 첨가될 수 있다.
제2 층(220)은 리드 필름(190)과 접하는 층일 수 있다.
제2 층(220)은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리이미드(PI) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 그 중에서도 제2 층(220)에 폴리이미드가 포함되는 경우 제2 층(220)과 리드 필름(190) 간의 접착력이 감소하여 케이스(110) 내부 압력 상승 시 가스 배출 경로(300)가 형성될 수 있다는 점에서 바람직하다.
제2 층(220)의 두께는 40 ㎛ 내지 100 ㎛, 구체적으로 40 ㎛ 내지 90 ㎛, 보다 구체적으로 45 ㎛ 내지 75 ㎛일 수 있다. 제2 층(220)의 두께가 상기 수치 범위를 만족하는 경우 실링 과정에서 제2 층(220)이 녹지 않으면서도 케이스(110) 내부 압력 상승 시 제2 층(220)과 리드 필름(190) 사이의 계면이 개봉되어 가스 배출 경로(300)가 형성될 수 있다.
한편, 제2 층의 두께(D2) 대비 제1 층의 두께(D1)의 비율(D1/D2)은 0.4 내지 2.0, 구체적으로 0.4 내지 1.5, 보다 구체적으로 0.4 내지 1.0일 수 있다. 상기 비율(D1/D2)이 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 케이스(110) 내부 압력 상승 시 제2 층(220)과 리드 필름(190) 사이의 계면이 개봉되어 가스 배출 경로가 형성되면서도, 가스 유도부(200)와 전극 리드(180) 간 접착 강도를 향상시킬 수 있다.
(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 266 mm, 세로 50 m, 두께 60 ㎛의 알루미늄 합금 박막의 일면에 가로 266 mm, 세로 50 m, 두께 12 ㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름과 가로 266 mm, 세로 50 m, 두께 25 ㎛의 나일론 필름을 적층하고, 타면에 가로 266 mm, 세로 50 m, 두께 80 ㎛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) 파우치형 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 40 ㎛ 두께의 산변성 폴리프로필렌 필름(제1 층)과 50 ㎛ 두께의 폴리이미드 필름(제2 층)을 순차 적층하여 가스 유도부를 형성하였다.
이어서, 상기 전극 리드의 하면과 상기 가스 유도부의 상면에 200 ㎛ 두께의 리드 필름을 각각 적층하였다. 상기 리드 필름은 코폴리머 폴리프로필렌과 산변성 폴리프로필렌을 포함하는 75 ㎛ 두께의 메탈 접착층, 호모폴리머 폴리프로필렌을 포함하는 65 ㎛ 두께의 코어층, 코폴리머 폴리프로필렌을 포함하는 60 ㎛ 두께의 파우치 접착층을 포함한다.
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 산변성 폴리프로필렌 필름의 두께가 10 ㎛이고, 제2 층에 적용되는 폴리이미드 필름의 두께가 50 ㎛라는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 3
제1 층에 적용되는 산변성 폴리프로필렌 필름의 두께가 120 ㎛이고, 제2 층에 적용되는 폴리이미드 필름의 두께가 50 ㎛라는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 4
제1 층에 산변성 폴리프로필렌 필름 대신 산변성 폴리에틸렌 필름을 적용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 5
제2 층에 폴리이미드 필름 대신 폴리테트라플루오르에틸렌 필름을 적용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 6
제1 층에 적용되는 산변성 폴리프로필렌 필름을 제조할 때 세라믹 필러로 CaCO3(평균 입경 D50: 2.8μm)를 산변성 폴리프로필렌 필름 전체 중량의 7 중량%가 되도록 혼합하여 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.
실시예 7
제1 층에 적용되는 산변성 폴리프로필렌 필름을 제조할 때 세라믹 필러로 CaCO3(평균 입경 D50: 2.8μm)를 산변성 폴리프로필렌 필름 전체 중량의 11 중량%가 되도록 혼합하여 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1
가스 유도부(200)가 상기 산변성 폴리프로필렌 필름(제1 층)을 포함하지 않는다는 점(단일층)을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 2
제1 층에 산변성 폴리프로필렌 필름 대신 미변성 폴리프로필렌 필름을 적용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 3
제1 층에 폴리이미드 필름을 제2 층에 산변성 폴리프로필렌 필름을 적용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.
실험예 1: 내구성 평가
실시예 1 내지 7, 비교예 1 내지 3에서 각각 제조된 파우치형 이차 전지에 대하여 전극 리드로부터 박리된 가스 유도부의 길이를 측정하고, 전극 리드 및 가스 유도부의 접착 강도, 그리고 전해액 하에서의 접착 강도를 측정하고, 접착 강도의 감소율을 계산하였다.
1) 전해액 하 보관 안정성(mm): 파우치형 이차 전지 제조 과정에서 파우치형 케이스 내부에 HF를투입한 후 파우치형 케이스를 실링하고, 60℃ 챔버에서 5일간 저장하였다. 상기 저장 기간이 경과된 후 전극 리드로부터 가스 유도부와 리드 필름의 적어도 일부가 박리된 길이를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실링부의 상면 투시도이다. 도 7에 도시된 바와 같이 실링부(150)에는 전극 리드(180), 가스 유도부(200), 리드 필름(190)이 순차 적층되어 있으며, 가스 유도부(200)는 제1 영역(230) 및 제2 영역(240)을 포함할 수 있다.
가스 유도부(200)와 리드 필름(190)은 전해액에 의해 내구성이 낮을 경우 파우치 내측으로부터 외측 방향으로 박리될 수 있다. 이때, 전극 리드(180)로부터 박리된 가스 유도부(200) 및/또는 리드 필름(190)의 길이는 제2 영역(240)의 파우치 내측 방향 단부로부터 박리된 부분까지의 길이(A)를 의미한다.
2) 전극 리드와 리드 필름의 접착 강도(N/cm): 파우치형 이차 전지 제조 과정에서 파우치형 케이스 내부에 가스 발생 물질을 투입한 후 파우치형 케이스를 실링함으로써, 파우치 내부에서 CO2 가스를 발생시켜 파우치 내부 압력을 증가시켰다.
그리고, 60℃ 챔버에 5일간 저장한 후, 실링부의 내측 단부, 즉 상기 도 7에서 제2 영역(240)의 사이 부분의 내측 단부로부터 10 mm 이격된 부분에서 일부를 잘라낸 리드 조립체의 양단을 UTM의 하부 지그와 상부 지그에 각각 결합시킨 다음, 50mm/min의 속도로 180°방향으로 30mm 잡아당겼을 때 측정된 접착 강도 그래프 중 평탄 구간의 평균 값(N/10mm)을 계산하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
3) 전해질 하 접착 강도(N/cm) 및 접착 강도 감소율(%): 상기 2)에서와 같이 리드 조립체를 추출한 후 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 및 디메틸렌 카보네이트(DMC)가 부피비로 3:3:4로 혼합된 유기 용매와 1.0 M의 LiPF6의 리튬염이 혼합된 전해질에 60℃에서 24시간 동안 함침시킨 후, 상기 2)에서와 동일한 방법으로 전해질 하 접착 강도를 측정하였고, 전해질 함침 전후에 접착 강도가 감소하는 비율을 계산하였다.
(제1층 두께) / (제2층 두께) 박리된 가스 유도부의 길이
(mm)		 가스 유도부와 전극 리드 간 접착 강도 (N/cm) 전해질 하 접착 강도 (N/cm) 접착강도 감소율 (%)
실시예1 0.8 1 30 28 6.7
실시예2 0.2 6 18 16 11
실시예3 2.4 4 21 18 14
실시예4 0.8 3 26 24 7.7
실시예5 0.8 2 28 27 3.6
실시예6 0.8 1 47 45 4.3
실시예7 0.8 1 41 40 2.4
비교예1 - 13 10 8 20
비교예2 0.8 11 12 8 33.3
비교예3 1.3 13 8 0(측정 불가) -
표 1에 따르면, 가스 유도부의 제1 층에 변성 폴리올레핀계 수지를 포함하는 실시예 1 내지 7의 경우, 박리된(또는 외측으로 밀린) 가스 유도부 및/또는 리드 필름의 길이가 비교예 1 내지 3 대비 현저히 짧아 내구성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 7에서의 리드 필름과 전극 리드 간 접착 강도 및 전해질 함침 후의 접착 강도는 비교예 1 및 2 대비 현저히 높은 것을 확인할 수 있고 비교예 3의 경우에는 전해질 함침 후 완전히 박리되어 강도 측정이 불가능한 것으로 보아 전해질 하에서의 내구성이 현저히 감소됨을 확인하였다.
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 (15)

  1. 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 전극 리드와 접하는 제1 층, 및 상기 제1 층 상에 배치되는 제2 층을 포함하고,
    상기 제1 층은 변성 폴리올레핀계 수지를 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  2. 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.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 층은 산 변성 폴리올레핀을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 산 변성 폴리올레핀은 PPa(acid modified polypropylene) 및 PEa(acid modified polyethylene)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 층의 두께(D2) 대비 상기 제1 층의 두께(D1)의 비율(D1/D2)이 0.4 내지 2.0인, 파우치형 이차 전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 층은 폴리이미드(PI) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 층의 두께는 5 ㎛ 내지 130 ㎛인, 파우치형 이차 전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 층의 두께는 40 ㎛ 내지 100 ㎛인, 파우치형 이차 전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 층은 상기 리드 필름과 직접 접하는, 파우치형 이차 전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 층은 평균 입경 D50이 1 ㎛ 내지 20 ㎛인 세라믹 필러를 더 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 세라믹 필러는 CaCO3, Ca(OH)2, CaCl2, CaO, KOH, NaOH 및 Na2CO3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 세라믹 필러는 상기 제1 층의 총 중량 대비 1 중량% 내지 19 중량%로 포함되는, 파우치형 이차 전지.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 리드, 상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 리드 필름이 순차 적층된, 파우치형 이차 전지.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 리드의 일면은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 산화 알루미늄(Al2O3), 지르코늄(Zr)계 무수산화물염 및 티타늄(Ti)계 무수산화물염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 코팅되는, 파우치형 이차 전지.
  15. 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.
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