WO2011099793A2 - 파우치형 리튬 2차전지 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a pouch type lithium secondary battery in which unit cells are packaged in a battery module form through a separate metal outer case.
  • the electrode assembly packaging material of the pouch-type lithium secondary battery has a heat adhesiveness and has a multilayer film form of an inner resin layer that serves as a sealing layer, a metal thin film layer that serves as a barrier, and an outer resin layer that serves to protect the battery from the outside. consist of.
  • the metal thin layer is used to prevent the inflow of air, moisture, etc. into the battery and to block the outflow of the gas generated inside the battery, and mainly aluminum (Al) is used.
  • the pouch packaging material having such a structure may occur when the metal thin film layer is exposed to the outside or the exposed metal thin film layer is electrically connected to an electrode lead (electrode terminal) or the like during the manufacturing of the battery or the use of the battery.
  • an electrode lead electrode terminal
  • the pouch packaging material having such a structure may occur when the metal thin film layer is exposed to the outside or the exposed metal thin film layer is electrically connected to an electrode lead (electrode terminal) or the like during the manufacturing of the battery or the use of the battery.
  • an electrode lead electrode terminal
  • the pouch packaging material having such a structure may occur when the metal thin film layer is exposed to the outside or the exposed metal thin film layer is electrically connected to an electrode lead (electrode terminal) or the like during the manufacturing of the battery or the use of the battery.
  • excessive strain is applied locally or excessive heat fusion is performed in a groove forming process for accommodating an electrode assembly and an electrolyte in a pouch packaging material or a heat fusion process for forming a sealing portion of an outer circum
  • the metal thin film layer of the pouch during groove forming (deep drawing) for accommodating the electrode assembly and the electrolyte has difficulty in accommodating an electrode assembly having a predetermined thickness or more because of its low ductility and low moldability compared to the resin layer.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-265989 discloses a battery element packaging material comprising a laminate film having a structure in which two or more resin film layers are laminated, wherein the laminated structure does not have a metal foil and at least one layer of the Disclosed is a battery device packaging material in which a resin film layer includes a moisture absorbent.
  • battery element exterior materials are suitable for small batteries, and each battery element must be packaged with an exterior material including a moisture absorbent in order to be used in a medium-large battery. Therefore, manufacturing costs are high as in the case of a conventional high-cost metal thin film layer. There is a problem that it is difficult to secure the internal gas blocking caused by the abnormal chemical reaction of the battery element.
  • Korean Patent Application Publication No. 10-2009-0105496 discloses an outer coating layer based on excellent tensile strength and weather resistance polymer resin, a functional blocking layer based on polymer resin capable of blocking water and gas, and heat sealability.
  • a laminate sheet comprising an inner sealant layer based on a polymer resin is disclosed.
  • each unit cell is typically It is packed again as a supplement.
  • the weight of the entire battery module is increased by the metal layer included in the pouch case and the above-described separate metal type supplement.
  • An object of the present invention is to simultaneously solve the above-mentioned problems of the prior art.
  • Pouch type lithium secondary battery has been developed, and in this case, it is possible to secure moisture and gas barrier properties as well as insulation characteristics, initial performance, moldability, charge and discharge characteristics, and high temperature storage characteristics, and at the same time light, It was confirmed that the manufacturing process can provide a simple, inexpensive pouch-type lithium secondary battery.
  • the present invention is a pouch-type lithium secondary battery composed of a medium-large battery module, jelly-roll type electrode assembly; Resin-type first packaging material for packaging each of the jelly-roll type electrode assembly in the form of a unit cell, formed of a two-layer structure of the inner resin layer and the outer resin layer; And storing two or more unit cells, each packed with the first packaging material, in a modular form at once, and including a metal-type second packaging material that blocks water and gas by a sealed structure.
  • the inner resin layer may be at least one or more materials selected from polyolefin resin, polyurethane resin, and polyimide resin, may be formed of two or more layers, the thickness may be 20 to 100 ⁇ m. .
  • the outer resin layer may be made of nylon or polyethylene terephthalate (PET), may be formed of two or more layers, and may have a thickness of 20 to 100 ⁇ m.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the second packaging material may be made of aluminum or stainless steel.
  • an adhesive resin layer may be further included between the inner resin layer and the outer resin layer, and the adhesive resin layer may be at least one material selected from polyolefin resin or polyurethane resin.
  • the present invention may have a structure in which two or more inner resin layers and an outer resin layer are laminated.
  • the present invention consists of a two-layer structure of the inner resin layer and the outer resin layer in the pouch packaging material, the exposure of the metal layer due to pinholes and cracks of the inner resin layer is prevented at the source, excellent insulation properties, improved molding during groove molding Securing the property, there is an advantage to lower the adhesive layer peeling due to the side reaction of the metal thin film layer and the electrolyte.
  • the electrode assemblies wrapped with the pouch packaging material has the advantage of maintaining moisture and gas barrier properties by packaging in a modular form by a separate metal outer case.
  • FIG. 1 shows a pouch-type lithium secondary battery according to the present invention, a resin-type first packaging material, a metal-type second packaging material and a plurality of unit cells It illustrates a battery module (single cup) electrically connected.
  • Figure 2 shows a pouch-type lithium secondary battery according to the present invention is a resin-type first packaging material, a metal-type second packaging material and a plurality of unit cells
  • the battery module double cup
  • Figure 3 shows a pouch-type lithium secondary battery according to the present invention is a resin-type first packaging material, a metal-type second packaging material and a plurality of unit cells
  • the battery module (single cup and double cup mixed) is electrically connected.
  • FIG. 4 illustrates a structure in which an electrode lead of a battery cell (applied to a double cup) is disposed on a bottom surface of a battery.
  • FIG. 5 illustrates a structure in which two electrode leads of a battery cell (double cup application) are positioned in a scene of a battery.
  • FIG. 6 illustrates a structure in which one electrode lead of a battery cell (applied to a double cup) is disposed on each of a right side and a left side of the battery.
  • FIG. 7 illustrates a structure in which one electrode lead of a battery cell (applied to a double cup) is disposed on each of the top and bottom surfaces of the battery.
  • FIG. 8 illustrates a pouch-type lithium secondary battery according to the present invention, and illustrates a structure in which a plurality of unit cells are completely sealed by a metal-type second packaging material (single cup and double cup mixed).
  • FIG. 1 illustrates a pouch-type lithium secondary battery according to the present invention, a resin-type first packaging material, a metal-type second packaging material, and a battery module in which a plurality of unit cells are electrically connected
  • FIG. 8 is a pouch according to the present invention. It shows a type lithium secondary battery and shows a structure in which a plurality of unit cells are completely sealed by a metal type second packaging material.
  • the pouch-type lithium secondary battery 100 has a module 10 form for a medium-large battery, and has a jelly-roll electrode assembly (not shown), a resin-type first packaging material 30, and a metal. It includes a mold-type second packaging material (40).
  • the jelly-roll type electrode assembly is a rolled type electrode assembly including an anode, a separator, and a cathode as one type of electrode assembly.
  • the jelly-roll type electrode assembly in the present invention includes all types of jelly-roll type electrode assemblies commonly used in lithium secondary batteries, and is not limited to a particular type.
  • the resin-type first packaging material 30 is a package of the jelly-roll type electrode assembly in the form of a unit cell 20, and is formed in a two-layer structure of the inner resin layer 30a and the outer resin layer 30b.
  • the inner resin layer 30a serves as a seal having heat adhesiveness, and is thermally fused to each other by heat and pressure applied in a state in which the electrode assembly is embedded to seal the pouch.
  • the material one or more selected from polyolefin resins such as polyethylene, polyethylene acrylic acid, polypropylene, polybutylene, etc., which have excellent chemical resistance and good sealing properties, polyurethane resins, and polyimide resins can be used.
  • polyurethane resins polyurethane resins
  • polyimide resins polyimide resins
  • CPP non-stretched polypropylene having both electrolyte resistance and heat sealability is used.
  • the inner resin layer 30a may be formed in one layer or two or more layers in order to effectively prevent penetration of the electrolyte, and the thickness may be in the range of 20 to 100 ⁇ m. If the thickness is too thin, less than 20 ⁇ m, the electrolyte blocking function and the strength of the film is reduced, if the thickness is too thick exceeding 100 ⁇ m, workability is poor, and inconvenience caused by increasing the thickness of the entire first packaging material 30 .
  • the outer resin layer 30b serves to protect the electrode assembly such as a jelly-roll type electrode assembly and to secure heat resistance and chemical resistance, and typically uses a heat resistant polymer having excellent tensile strength, moisture permeability, and air permeability.
  • the outer resin layer 30b may be formed in a single layer or a multilayer of two or more layers.
  • the outer resin layer preferably uses nylon (for example stretched nylon, ONy) or polyethylene terephthalate (PET) which has the above properties as its material and which is advantageous in terms of cost.
  • the thickness of the outer resin layer 30b is preferably in the range of 20 to 100 ⁇ m.
  • the inner resin layer and the outer resin layer may be stacked regardless of the number and order of the inner resin layer and the outer resin layer when the inner resin layer and the outer resin layer are stacked.
  • the resin layer, the outer resin layer, the inner resin layer, and the outer resin layer may be laminated, but the above examples are not limited to the configuration of the present invention.
  • the internal and external meanings in the structure in which the inner resin layer and the outer resin layer may be alternately stacked as described above are divided for convenience based on the configuration of the resin layer in order to assist the understanding of the present invention and are not limited thereto. .
  • the first packaging material 30 in the present invention may further include an adhesive resin layer between the inner resin layer 30a and the outer resin layer 30b as necessary.
  • Adhesive resin layer is for the smooth adhesion of the inner resin layer (30a) and the outer resin layer (30b)
  • the material may be a conventional polyolefin-based adhesive resin, or a urethane or polyurethane resin can be used for smooth processing. These can also be mixed and used.
  • the resin type first packaging material 30 may be manufactured in various ways.
  • the inner resin layer 30a film and the outer resin layer 30b film may be sequentially laminated and then bonded to each other by a dry lamination or extrusion lamination method.
  • the receiving part is formed on one side of the first packaging material 30 manufactured as described above so that the jelly-roll type electrode assembly, which is an electrode assembly, may be seated through deep drawing, and after storing the electrode assembly, the other side may be bent in the form of a cover, and then the outer circumferential surface thereof.
  • the three surfaces are sealed by heat fusion to prepare a pouch-type unit cell 20 in which individual jelly-roll type electrode assemblies are packaged by the first packaging material 30, respectively. Meanwhile, after manufacturing two sheets of first packaging material 30, an accommodating part is formed in one of them, the electrode assembly is accommodated, and the outer surface of the pouch-type unit cell 20 is sealed by covering the remaining first packaging material 30 and sealing four surfaces. It can also manufacture.
  • the metal type second packaging material 40 is packaged and accommodated in two or more unit cells 20 each packed with the resin type first packing material 30 in the form of a module 10.
  • a packaging material made of only a metal material it serves to protect the inside of the battery from external shock as well as blocking water and gas by a completely sealed structure.
  • a plurality of unit cells 20 that are already packaged using a separate metal outer case are packed in the form of a module 10 at a time. It is characterized by sealing.
  • the second packaging material 40 metal materials commonly known in the art as being resistant to moisture and gas and resistant to external shocks are used.
  • metal materials commonly known in the art as being resistant to moisture and gas and resistant to external shocks are used.
  • SUS stainless steel
  • the electrode leads 50 of the plurality of unit cells 20 are electrically connected to each other using the connection member 60 such as a bus bar, and then housed in the second packaging material 40 at a time.
  • the electrode leads 50 of the unit cells 20 are finally drawn out of the second packaging material 40 through a connection member 60 such as a bus bar through an external connection connection member (not shown). And electrically connected to an external input / output terminal (not shown).
  • the pouch-type lithium secondary battery 100 is manufactured by completely sealing all the openings on the second packaging material 40 in which the plurality of unit cells 20 are accommodated by welding or the like.
  • the battery is preferably manufactured in a dry room.
  • the pouch type secondary battery of the present invention can be applied to a case where the size of the positive electrode and negative electrode tabs is different or the distance between the positive electrode tab and the negative electrode tab is different.
  • the pouch-type secondary battery of the present invention can implement the positive lead or the negative lead in any direction of the long side, short side of the cell as shown in Figure 1 below as well as Figures 2 to 4 below, one of the positive lead and the negative lead It can be implemented in different directions as well as in a direction.
  • the pouch-type secondary battery of the present invention may be configured as a single cup, as shown in Figure 1, may also be configured as a double cup, as shown in Figure 2, may be mixed with a single cup and a double cup as shown in Figures 3 and 8.
  • the outermost part of the battery may be configured in various forms such as a single cup or a double cup when mixed.
  • the single cup and the double cup are expressions referring to the exterior form of the pouch, and according to the shape of the cross-section of the pouch by the electrode assembly embedded in the pouch, the single cup is usually in a state where only one side of the pouch is convex, and the double cup is both sides. All of them refer to a convex state.
  • one side of the rectangular pouch is folded.
  • the sealing assembly or the folded side of the folded side is separated from the outermost side of the pouch by the other three sides.
  • the other three sides When compared with the other three sides may be the same, or may be configured shorter than the other three sides.
  • the expressions of the single cup and the double cup as described above are intended to help the understanding of the cell structure of the present invention and are not limited to the term throughout this specification.
  • Figure 4-7 is shown as a double cup by way of example, a single cup may have the configuration of a tab likewise, it is not limited to this throughout the specification.
  • the electrode assembly may be used in the form of a commonly used electrode assembly such as winding-type, stack-type, stack-fold type electrode assembly as well as jelly-roll type.
  • the stack-folding type stacks electrode assemblies of the same type (anode-membrane-cathode) around the separator film, or different types of electrode assemblies (anode-separator-anode, cathode-separator-cathode) of the separator.
  • the stack-folding type can also include a variety of stack-folding type, such as folded on the same side or each other.
  • a resin-type first packaging material 30 was manufactured, and then deep drawing on one side thereof.
  • the receiving portion was formed and the other side was bent in the form of a lid.
  • a metal-type second packaging material 40 of 0.5 mm in thickness was manufactured.
  • the electrode leads 50 of the two unit cells 20 are electrically connected by using the bus bar 60 and then housed in the second packaging material 40 at once, and the bus bar 60 is Finally, an external connection terminal (not shown) is used to finally connect with an external input / output terminal (not shown).
  • the pouch-type lithium secondary battery 100 was manufactured by welding all the openings on the second packaging material 40 containing the two unit cells 20 to form a complete seal.
  • Example 2 It is the same as Example 1 except the modified polypropylene film of thickness 50micrometer was used for the internal resin layer 30a.
  • two unit cells were prepared by accommodating two same jelly-roll electrode assemblies as in Example 1 in the pouch sheathing material, injecting 1M LiPF 6 carbonate-based electrolyte, and thermally sealing the outer circumferential surface of the pouch sheathing material.
  • the metal type supplement was padded on each of the two unit cell surfaces, and the sealing was not formed.
  • the two unit cells are accommodated in a 0.5 mm thick battery pack enclosure made of polypropylene, and then the bus bars are externally connected.
  • the pouch-type lithium secondary battery was manufactured by electrically connecting to an external input / output terminal through a connecting member.
  • the insulation characteristics, the initial capacity, the initial output, and the like of the unit cell manufactured by one jelly-roll type electrode assembly housed in a first packaging material (or pouch exterior material) and heat-sealed were evaluated. Is shown in Table 1.
  • Insulation characteristics were performed by checking whether the metal layer and the resin layer exposed to the edges of the pouch and the cathode were energized.
  • Initial capacity was performed by measuring the discharge capacity after the charge / discharge at a rate of 1C for the prepared unit cell.
  • the initial output was measured based on this by discharging for 10 seconds with a current of 120A after charging half of the manufactured unit cell capacity.
  • Example 1 30 . 222 ⁇ 0.2 5.1 ⁇ 0.1 700 ⁇ 20
  • Example 2 30 . 225 ⁇ 0.2 5.1 ⁇ 0.1 700 ⁇ 20
  • Comparative example 30 5 234 ⁇ 0.2 5.1 ⁇ 0.1 700 ⁇ 20
  • Charging and discharging was performed by repeating the charging / discharging process 200 times at a rate of 1 C of the secondary battery capacity at room temperature and then checking the capacity and output.
  • the high temperature storage characteristics were performed by checking the capacity and output after storage for 4 weeks in a chamber at 60 °C.
  • the pouch-type secondary battery of the present invention includes an electric vehicle including a power tool, an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), and a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV). ; Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters; It can be applied to electric golf cart, energy storage system medium and large size batteries.
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid electric vehicle
  • PHEV plug-in hybrid electric vehicle

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Abstract

본 발명은 중대형용 전지 모듈로 구성된 파우치형 리튬 2차전지에 관한 것으로, 구체적으로는 젤리-롤형 전극조립체; 상기 젤리-롤형 전극조립체를 단위셀 형태로 각각 포장하는 것으로서, 내부수지층 및 외부수지층의 2층 구조로 형성된 수지형 제1포장재; 및 상기 제1포장재로 각각 포장된 단위셀 2개 이상을 모듈형태로 한꺼번에 포장하여 수납하는 것으로서, 밀봉된 구조에 의해 수분 및 가스를 차단하는 금속형 제2포장재를 포함하여 특히 EV, p-HEV, HEV 등의 중대형전지에도 적용가능한 파우치형 리튬 2차전지에 관한 것이다.

Description

파우치형 리튬 2차전지
본 발명은 별도의 금속 외부케이스를 통하여 단위셀들을 전지 모듈형태로 포장한 파우치형 리튬 2차전지에 관한 것이다.
일반적으로 파우치형 리튬 2차전지의 전극조립체 포장재는 열 접착성을 가져 실링 역할을 하는 내부수지층과 배리어 역할을 하는 금속박막층 및 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하는 외부수지층의 다층 필름형태로 이루어져 있다. 여기에서 금속박막층은 공기, 수분 등이 전지 내부로 유입되는 것을 방지하고 전지 내부에서 발생된 가스의 외부 유출을 차단하기 위한 것으로서 주로 알루미늄(Al) 재질이 사용되고 있다.
그러나, 이러한 구조의 파우치 포장재는 그것을 사용하여 전지를 제조하는 과정 또는 전지의 사용 중에 금속박막층이 외부로 노출되거나 이렇게 노출된 금속박막층이 전극리드(전극단자) 등과 전기적으로 접속되는 경우가 발생한다. 예를 들어, 전지의 제조과정 중 파우치 포장재에 전극조립체 및 전해질을 수용하기 위한 홈 성형 공정 또는 포장재 외주면의 실링부 형성을 위한 열융착 공정에서 국부적으로 과도한 변형력이 인가되거나 과다한 열융착이 행해질 경우, 외부수지층 또는 내부수지층이 파괴되면서 금속박막층이 노출되고 이렇게 노출된 금속박막층이 전지 또는 외부의 또 다른 팩 단위 금속물질과 통전될 수 있다. 즉 절연 특성이 저하되는 문제가 발생한다.
또한, 전지 내부에서 금속박막층의 노출은 전해액 내 리튬염과 수분의 가수분해에 의해 발생하는 불화수소산에 의하여 금속면을 부식시켜 접착면이 박리되는 등의 부반응을 유발한다.
이외에도, 전극조립체 및 전해질 수용을 위한 홈 성형(딥 드로잉)시 파우치의 금속박막층은 수지층에 비해 상대적으로 연성이 작아 성형성이 낮기 때문에 일정 두께 이상의 전극조립체를 수용하는 데에도 어려움이 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해, 파우치 포장재에 있어서 금속층을 배제하기 위한 노력들이 있었다.
예를 들어, 일본 특허출원공개 제2007-265989호는 2층 이상의 수지필름층을 적층한 구조를 가지는 라미네이트 필름으로 이루어지는 전지소자 외장재에 있어서, 상기 적층 구조는 금속박을 가지지 않는 것이고 적어도 1층의 상기 수지필름층이 수분흡수재를 포함하는 전지소자 외장재를 개시하고 있다.
그러나, 이러한 전지소자 외장재는 소형전지에 적합한 것으로서 중대형용 전지에 사용하려면 전지소자 하나하나를 수분흡수제를 포함한 외장재로 포장해야 하므로 종래의 고비용 금속박막층의 경우처럼 제조비용이 많이 들게 되고, 수분흡수제만으로는 전지소자의 비정상적 화학반응에서 발생하는 내부 가스 차단을 담보하기 어려운 문제점이 있다.
한편, 한국 특허출원공개 제10-2009-0105496호는 우수한 인장강도와 내후성의 고분자 수지를 기반으로 한 외부 피복층, 수분 및 가스를 차단할 수 있는 고분자 수지를 기반으로 한 기능성 차단층, 및 열융착성 고분자 수지를 기반으로 한 내부 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트를 개시하고 있다.
그러나, 이러한 고분자 수지 기능성 차단층은 종래의 금속층보다 수분 침투에 약하고, 제조비용이 많이 들게 되며, 다중 필름 형태로 되어있어 공정상의 번거로움 또한 존재하는 문제점이 있다.
결국, 전술한 종래기술들은 수분 내침투성 내지 가스 차단성이 기존의 금속층을 이용한 경우보다 현저히 낮아 실질적으로 당업계에서 상용화되지는 못하고 있는 상황이다.
또한, 파우치형 리튬 2차전지 모듈을 제조할 때 전극조립체들을 각각의 파우치 외장재에 수납한 후 파우치 외장재를 열융착하고, 외부강도 확보 및 열의 발산을 돕기 위해 통상적으로 각각의 단위셀들을 알루미늄 등의 보완재로 한번 더 덧대어 포장하게 된다. 이 때 파우치 외장재 내에 포함된 금속층과 상기한 별도의 금속형 보완재에 의해 전체 전지 모듈의 중량이 증가하는 단점이 존재한다.
따라서, 중대형 전지에도 적용이 가능한 것으로서 수분 및 가스 차단성, 절연 특성, 성형성 및 부식에 의한 박리현상 방지라는 일반적 특성을 만족하면서도 가볍고, 제조공정이 단순하며 저렴한 파우치형 리튬 2차전지에 관한 새로운 기술의 개발이 요구되고 있었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 동시에 해결하기 위한 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 개별 전극조립체를 포장함에 있어서 종래의 파우치 외장재와 달리 별도의 금속 외부케이스를 통하여 단위셀들을 전지 모듈형태로 포장함으로써 수분 및 가스가 차단되도록 한 파우치형 리튬 2차전지를 개발하기에 이르렀고, 이 경우 수분 및 가스 차단성은 물론 절연 특성, 초기 성능, 성형성, 충방전 특성 및 고온저장 특성을 소망하는 수준으로 확보할 수 있었고, 동시에 가볍고, 제조공정이 단순, 저렴한 파우치형 리튬 2차전지를 제공할 수 있음을 확인하였다.
본 발명은 중대형용 전지 모듈로 구성된 파우치형 리튬 2차전지에 있어서, 젤리-롤형 전극조립체; 상기 젤리-롤형 전극조립체를 단위셀 형태로 각각 포장하는 것으로서, 내부수지층 및 외부수지층의 2층 구조로 형성된 수지형 제1포장재; 및 상기 제1포장재로 각각 포장된 단위셀 2개 이상을 모듈형태로 한꺼번에 포장하여 수납하는 것으로서, 밀봉된 구조에 의해 수분 및 가스를 차단하는 금속형 제2포장재를 포함하는 것이다.
또한, 상기 내부수지층은 폴리올레핀수지, 폴리우레탄수지, 및 폴리이미드수지 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 재질일 수 있으며, 2 이상의 층으로 형성될 수 있고, 그 두께는 20 내지 100㎛인 것일 수 있다.
그리고, 상기 외부수지층은 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 재질일 수 있으며, 2 이상의 층으로 형성될 수 있고, 그 두께는 20 내지 100㎛인 것일 수 있다.
아울러, 상기 제2포장재는 알루미늄 또는 스테인레스강 재질일 수 있다.
더불어, 상기 내부수지층 및 외부수지층 사이에는 접착수지층이 더 포함될 수 있으며, 상기 접착수지층은 폴리올레핀수지 또는 폴리우레탄수지 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 재질일 수 있다.
또한 본 발명은, 내부수지층과 외부수지층이 각각 2층이상 적층된 구조일 수 있다.
본 발명은 파우치 포장재에 있어 내부수지층 및 외부수지층의 2층 구조로 이루어진 바, 내부수지층의 핀홀 및 균열에 의한 금속층의 노출이 원천적으로 방지되어 절연 특성이 우수하고, 홈 성형시 향상된 성형성을 확보하며, 금속박막층과 전해액의 부반응에 의한 접착층 박리를 저하하는 장점이 있다.
또한, 파우치 포장재로 감싸진 전극조립체들은 별도의 금속 외부케이스에 의해 모듈형태로 포장함으로써 수분 및 가스 차단성을 유지하는 이점이 있다.
그리고, EV, p-HEV, HEV 등의 중대형 전지에 특히 유용한 것으로서 얇고 가벼워 에너지 밀도를 높일 수 있으며, 제조공정 또한 단순, 저렴한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 파우치형 리튬 2차 전지를 나타내는 것으로 수지형 제1포장재, 금속형 제2포장재 및 단위셀 다수개가 전기적으로 연결된 전지 모듈(싱글컵)을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 파우치형 리튬 2차 전지를 나타내는 것으로 수지형 제1포장재, 금속형 제2포장재 및 단위셀 다수개가 전기적으로 연결된 전지 모듈(더블컵)을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 파우치형 리튬 2차 전지를 나타내는 것으로 수지형 제1포장재, 금속형 제2포장재 및 단위셀 다수개가 전기적으로 연결된 전지 모듈(싱글컵과 더블컵 혼용)을 도시한 것이다.
도 4는 전지셀(더블컵 적용)의 전극리드를 전지의 하단면에 위치한 구조를 도시한 것이다.
도 5는 전지셀(더블컵 적용)의 전극리드 두개를 전지의 장면에 위치한 구조를 도시한 것이다.
도 6은 전지셀(더블컵 적용)의 전극리드를 전지의 우측장면와 좌측장면에 각각 1개씩 위치한 구조를 도시한 것이다.
도 7은 전지셀(더블컵 적용)의 전극리드를 전지의 상단면과 하단면에 각각 1개씩 위치한 구조를 도시한 것이다.
도 8는 본 발명에 따른 파우치형 리튬 2차 전지를 나타내는 것으로 다수개의 단위셀이 금속형 제2포장재에 의하여 완전밀봉된 구조(싱글컵과 더블컵 혼용)를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 파우치형 리튬 2차 전지를 나타내는 것으로 수지형 제1포장재, 금속형 제2포장재 및 단위셀 다수개가 전기적으로 연결된 전지 모듈을 도시한 것이고, 도 8은 본 발명에 따른 파우치형 리튬 2차 전지를 나타내는 것으로 다수개의 단위셀이 금속형 제2포장재에 의하여 완전밀봉된 구조를 도시한 것이다.
도 1을 참고하면 본 발명에 따른 파우치형 리튬 2차전지(100)는 중대형 전지용으로서 모듈(10)형태를 가진 것으로 젤리-롤형 전극조립체(미도시), 수지형 제1포장재(30) 및 금속형 제2포장재(40)를 포함하는 것이다.
젤리-롤형 전극조립체는 전극조립체의 일 형태로서 양극, 분리막, 음극을 포함하는 권취된 형태의 전극조립체이다. 본 발명에서의 젤리-롤형 전극조립체는 리튬 2차전지에 통상적으로 사용되는 모든 형태의 젤리-롤형 전극조립체를 포함하며 특정 형태에 한정되지 않는다.
수지형 제1포장재(30)는 상기 젤리-롤형 전극조립체를 단위셀(20) 형태로 각각 포장하는 것으로서 내부수지층(30a) 및 외부수지층(30b)의 2층 구조로 형성된 것이다.
상기 내부수지층(30a)은 열 접착성을 가져 실링 역할을 하는 것으로서, 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 파우치를 밀봉하는 것이다. 재질로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게는 내전해액성과 열융착성을 겸비한 무연신 폴리프로필렌(CPP)을 사용한다.
또한, 상기 내부수지층(30a)은 전해질의 침투를 효과적으로 방지하기 위해 1층 또는 2층 이상의 다층으로 형성될 수 있으며, 두께는 20 내지 100 ㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다. 두께가 20 ㎛ 미만으로 너무 얇을 경우, 전해질 차단 기능 및 필름의 강도가 떨어지고, 두께가 100 ㎛를 초과하여 너무 두꺼울 경우 가공성이 떨어지고, 전체 제1포장재(30)의 두께 증가에 따른 불편이 따르게 된다.
상기 외부수지층(30b)은 젤리-롤형 전극조립체 등 전극조립체의 보호 역할을 하고 내열성 및 내화학성을 확보하는 것으로, 통상 인장강도, 투습방지성 및 공기투과방지성이 우수한 내열성 고분자를 사용한다. 또한 상기 외부수지층(30b)은 1층 또는 2층 이상의 다층으로 형성될 수 있다.
상기 외부수지층은 바람직하게는, 그 재질로서 상기 특성들을 지니면서도 원가 측면에서 유리한 나일론(예를 들어 연신 나일론, ONy) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 사용한다. 외부수지층(30b)의 두께는 20 내지 100㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 파우치형 리튬이온전지의 구조는 내부수지층과 외부수지층 적층 시 내부수지층과 외부수지층의 층의 수와 순서에 관계없이 내부수지층과 외부수지층을 적층할 수 있다. 그 구체적인 일예로 내부수지층-내부수지층-외부수지층-외부수지층, 내부수지층-내부수지층-외부수지층-외부수지층-내부수지층-내부수지층 등으로 적층할 수도 있고 내부수지층-외부수지층-내부수지층-외부수지층 등으로 적층할 수도 있으나 상기 예를 본 발명의 구성으로 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기와 같이 내부수지층과 외부수지층이 교대로 적층될 수 있는 구조에서 내외부의 의미는 본 발명의 이해를 돕기 위해 수지층의 구성을 기준으로 편의상 구분한 것으로 이에 한정하여 해석되지는 않는다.
한편, 본 발명에서의 제1포장재(30)는 필요에 따라 상기 내부수지층(30a)과 외부수지층(30b) 사이에 접착수지층을 더 포함할 수 있다. 접착수지층은 내부수지층(30a)과 외부수지층(30b)의 원활한 부착을 위한 것으로서, 그 재질로는 통상적인 폴리올레핀계 접착수지를 사용하거나 원활한 가공을 위해 우레탄 또는 폴리우레탄수지를 사용할 수 있으며, 이들을 혼합 사용할 수도 있다.
수지형 제1포장재(30)는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 내부수지층(30a) 필름과 외부수지층(30b) 필름을 순차적으로 적층한 후 건식 라미네이션(Dry Lamination) 또는 압출 라미네이션(Extrusion Lamination) 등의 방법으로 상호 접착하여 제조할 수 있다.
이렇게 제조된 제1포장재(30)의 일측에 딥 드로잉을 통해 전극조립체인 젤리-롤형 전극조립체가 안착될 수 있도록 수납부를 형성하고 전극조립체를 수납 후, 타측을 덮개의 형태로 절곡한 다음, 외주면 3면을 열융착을 통해 실링하여 개별 젤리-롤형 전극조립체가 제1포장재(30)에 의해 각각 포장된 파우치형 단위셀(20)을 제조한다. 한편 두 장의 제1포장재(30)를 제조 후 그 중 하나에 수납부를 형성하고 전극조립체를 수납한 다음, 나머지 제1포장재(30)를 덮어 외주면 4면을 실링함으로써 파우치형 단위셀(20)을 제조할 수도 있다.
기타, 전해질의 주입 등 파우치형 단위셀(20) 제조와 관련된 다른 공정들은 당업계에 공지되어 있는 방법을 그대로 채용하기로 한다.
도 8을 참고하면 본 발명에 있어서 금속형 제2포장재(40)란 상기 수지형 제1포장재(30)로 각각 포장된 단위셀(20) 2개 이상을 모듈(10)형태로 한꺼번에 포장하여 수납하는 금속재질만으로 이루어진 포장재로서, 완전 밀봉된 구조에 의해 수분 및 가스를 차단하는 것과 함께 외부 충격으로부터 전지 내부를 보호하는 역할도 수행한다.
즉, 본 발명은 단위셀(20) 각각의 측면에서 수분 및 가스 차단을 위한 장치를 하는 대신 별도의 금속 외부케이스를 사용해 이미 포장된 다수개의 단위셀(20)들을 모듈(10)형태로 한번에 포장, 밀봉하는 것을 특징으로 한다.
제2포장재(40)로는 수분 및 가스에 대한 내침투성이 좋고 외부 충격에 강한 것으로 당업계에 통상적으로 알려져 있는 금속 재질들을 사용한다. 바람직하게는, 가볍고 얇게 가공하는 것이 가능하며 내구성이 우수한 알루미늄 재질이나 내식성이 뛰어난 스테인레스강(SUS) 재질을 사용한다.
다음으로, 다수개의 단위셀(20)들의 전극리드(50)를 버스 바 등의 접속부재(60)를 이용하여 전기적으로 연결한 후 상기 제2포장재(40) 내에 한꺼번에 수납한다. 여기서, 상기 단위셀(20)들의 전극리드(50)들은 버스 바 등의 접속부재(60)를 거쳐 외부연결용 접속부재(미도시) 등을 통해 최종적으로 제2포장재(40)의 외부로 도출되어 외부 입출력 단자(미도시)와 전기적으로 연결되게 된다.
마지막으로, 상기 다수개의 단위셀(20)들이 수납된 제2포장재(40) 상의 모든 개구부를 용접 등의 방법으로 완전 밀봉하여 파우치형 리튬 2차전지(100)를 제조한다.
한편, 본 발명에서는 제2포장재(40) 내에 수납되기 전까지는 수분 및 가스 차단성이 100%가 아니기 때문에 드라이 룸에서 전지를 제조함이 바람직하다.
본 발명의 파우치형 2차전지는, 양극과 음극 탭의 사이즈가 다르거나, 양극탭과 음극탭의 간격이 서로 다른 경우에도 적용할 수 있다.
또한 본 발명의 파우치형 2차전지는 아래 도 1 과 같은 형태 뿐만 아니라 아래 도 2 ~ 4 와 같이 셀의 장변, 단변의 어느 방향으로도 양극리드 또는 음극리드를 구현할 수 있으며, 양극리드과 음극리드를 한쪽 방향으로 구현하는 것 뿐만 아니라 각각 다른 방향으로도 구현할 수 있다.
또한 본 발명의 파우치형 2차전지는 도1과 같이 싱글컵으로 구성될 수도 있으며, 도2와 같이 더블컵으로도 구성할 수 있고, 도3 및 도8과 같이 싱글컵과 더블컵을 혼용할 수도 있는바 혼용 시 전지의 최외곽부는 싱글컵이나 더블컵 등 여러 형태로 구성되어도 무방하다.
이때, 싱글컵과 더블컵은 파우치의 외장 형태를 지칭하는 표현으로서 파우치에 내장되는 전극조립체에 의해 파우치의 단면의 형상에 따라, 대개 싱글컵은 파우치의 단면이 한쪽만 볼록한 상태, 더블컵은 양쪽이 모두 볼록한 상태를 말하며, 특히, 싱글컵의 제조시에는 직사각형 형태의 파우치의 한 면을 접고, 이때 접힌 면의 실링부 또는 접힌 면에서 전극조립체가 파우치의 최외각변으로부터 떨어진 거리를 다른 3면과 비교하면 다른 3면과 동일할 수도 있고, 다른 3면에 비해 더 짧게 구성될 수도 있다. 상기와 같은 싱글컵과 더블컵에 대한 표현은 본 발명의 셀 구조에 대한 이해를 돕기 위한 것이지 이 명세서 전반에 걸쳐 이 용어에 한정해석되지는 않는다.
또한, 도 4-7은 더블컵을 예시적으로 표기한 것으로서 싱글컵도 이와 마찬가지로 탭의 구성을 가질 수 있음은 물론이며, 이 명세서 전반에 걸쳐 이에 한정해석되지는 않는다.
또한, 전극조립체는 젤리-롤형 뿐 아니라 와인딩형, 스택형, 스택-폴딩형 전극조립체와 같이 일반적으로 사용되는 전극조립체의 형태를 사용할 수 있음은 물론이다.
이때, 스택-폴딩형은 분리필름을 중심으로 동일한 타입의 전극조립체(양극-분리막-음극)을 스택하거나, 서로 다른 타입의 전극조립체(양극-분리막-양극, 음극-분리막-음극)를 분리막의 동일면 또는 각각 다른면에 스택하여 접은 형태 등 다양한 스택-폴딩형을 포함할 수 있음도 물론이다.
실시예
실시예 1
내부수지층(30a)으로 두께 50㎛의 폴리에틸렌 필름과 외부수지층(30b)으로 두께 25 ㎛의 나일론 필름을 적층하여 수지형 제1포장재(30)를 제조한 후, 그 일측에 딥 드로잉을 통해 수납부를 형성하고 타측을 덮개의 형태로 절곡하였다.
다음으로, 드라이 룸에서 젤리-롤형 전극조립체 2개를 상기 제1포장재(30)에 각각 수납하고 1M LiPF6 카보네이트계 전해액을 주입한 후, 제1포장재(30)의 외주면을 열융착함으로써 2개의 단위셀(20)을 제조하였다.
다음으로, 알루미늄 재질로 된 두께 0.5mm의 금속형 제2포장재(40)를 제조하였다.
다음으로, 상기 2개 단위셀(20)들의 전극리드(50)를 버스 바(60)를 이용하여 전기적으로 연결한 후 상기 제2포장재(40) 내에 한꺼번에 수납하고, 상기 버스 바(60)가 외부연결용 접속부재(미도시)를 통해 최종적으로 외부 입출력 단자(미도시)와 전기적으로 연결되도록 하였다.
마지막으로, 상기 2개의 단위셀(20)들이 수납된 제2포장재(40) 상의 모든 개구부를 용접하여 완전 밀봉을 형성함으로써 파우치형 리튬 2차전지(100)를 제조하였다.
실시예 2
내부수지층(30a)으로 두께 50㎛의 변성 폴리프로필렌 필름을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같다.
비교예
내부수지층으로 두께 50㎛의 폴리에틸렌 필름, 금속층으로 두께 50㎛의 알루미늄 금속박 및 외부수지층으로 두께 25 ㎛의 나일론 필름을 순차로 적층하여 파우치 외장재를 제조한 후, 그 일측에 딥 드로잉을 통해 수납부를 형성하고 타측을 덮개의 형태로 절곡하였다.
다음으로, 실시예 1과 동일한 젤리-롤형 전극조립체 2개를 상기 파우치 외장재에 각각 수납하고 1M LiPF6 카보네이트계 전해액을 주입한 후, 파우치 외장재의 외주면을 열융착함으로써 2개의 단위셀을 제조하였다.
다음으로, 외부충격으로부터 전극조립체(단위셀) 하나하나를 보호하기 위하여 알루미늄 재질로 된 두께 0.5mm의 금속형 보완재를 제조하였다.
다음으로, 상기 2개의 단위셀 표면 각각에 상기 금속형 보완재를 덧대어 밀봉이 형성되지 않은 상태로 감쌌다.
마지막으로, 상기 2개 단위셀들의 전극리드를 버스 바를 이용하여 전기적으로 연결한 후, 폴리프로필렌 재질로 된 0.5mm두께의 전지팩 외장재에 상기 2개의 단위셀들을 수납한 다음, 상기 버스 바가 외부연결용 접속부재를 통해 최종적으로 외부 입출력 단자와 전기적으로 연결되도록 하여 파우치형 리튬 2차전지를 제조하였다.
실험예
실험예 1
상기 실시예 및 비교예에 따라 젤리-롤형 전극조립체 1개가 제1포장재(또는 파우치 외장재)에 수납 및 열융착되어 제조된 단위전지에 대하여 절연 특성, 초기 용량, 초기 출력 등을 평가하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
절연 특성은 파우치의 모서리부분에 노출된 금속층 및 수지층 부위와 음극단자간의 통전 여부를 확인하는 방식으로 수행하였다.
초기 용량은 제조된 단위전지에 대해 1C의 속도로 충전/방전을 진행 후 방전 용량을 측정하는 방법으로 수행하였다.
초기 출력은 제조된 단위전지 용량의 절반을 충전한 후에 120A의 전류로 10초간 방전하여 이를 토대로 측정하였다.
표 1
구분 제조된 전지 수(ea) 절연 불량전지 수(ea) 전지 무게(g) 초기 용량(Ah) 초기 출력(W)
실시예 1 30 . 222±0.2 5.1±0.1 700±20
실시예 2 30 . 225±0.2 5.1±0.1 700±20
비교예 30 5 234±0.2 5.1±0.1 700±20
상기 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 제1포장재(30)로 전극조립체를 수납한 경우에도 동등한 초기 성능을 발휘할 수 있었다. 또한 부도체로서 전지셀의 전극단자 등과 전기적으로 접촉하더라도 통전이 발생하지 않아 절연성이 보장되고 무게 또한 가벼워 전지의 에너지 밀도가 향상됨을 알 수 있었다.
실험예 2
상기 실시예 및 비교예에 따라 최종적으로 제조된 전지에 대하여 충방전 특성 및 고온저장 특성을 평가하였다. 그 결과는 표 2에 나타내었다.
충방전은 상온에서 2차 전지 용량의 1C의 속도로 충전/방전 과정을 200회 반복한 후 용량 및 출력을 확인하는 방법으로 수행하였다.
고온저장 특성은 60℃의 챔버에서 4주간 보관 후 용량 및 출력을 확인하는 방법으로 수행하였다.
표 2
구분 200회 충방전 후 용량(Ah) 200회 충방전 후 출력(W) 고온저장 후 용량(Ah) 고온저장 후 출력(W)
실시예 1 4.9±0.1 630±20 4.5±0.1 600±20
실시예 2 4.9±0.1 650±20 4.5±0.1 600±20
비교예 4.6±0.1 600±20 4.3±0.1 550±20
상기 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의할 경우 금속형 제2포장재(40) 내에 한꺼번에 수납 및 밀봉함으로써 기존의 파우치형 전지보다 개선된 충방전 특성 및 고온저장 특성을 보임을 확인할 수 있었다.
본 발명의 파우치형 2차전지는 파워 툴(power tool), 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-바이크(E-bike), E-스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart), 전력저장시스템(Energy storage system) 중대형용 전지에 적용할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 중대형용 전지 모듈로 구성된 파우치형 리튬 2차전지에 있어서,
    젤리-롤형 전극조립체;
    상기 젤리-롤형 전극조립체를 단위셀 형태로 각각 포장하는 것으로서, 내부수지층 및 외부수지층의 2층 구조로 형성된 수지형 제1포장재; 및
    상기 제1포장재로 각각 포장된 단위셀 2개 이상을 모듈형태로 한꺼번에 포장하여 수납하는 금속형 제2포장재를 포함하는 파우치형 리튬 2차전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부수지층은 폴리올레핀수지, 폴리우레탄수지, 및 폴리이미드수지 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 재질인 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 2차전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 내부수지층은 1층 또는 2이상의 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 2차전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 내부수지층의 두께는 20 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 2차전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 외부수지층은 1층 또는 2이상의 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 2차전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 외부수지층은 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 재질인 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 2차전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 외부수지층의 두께는 20 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 2차전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 금속형 제2포장재는 알루미늄 또는 스테인레스강 재질인 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 2차전지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 내부수지층 및 외부수지층 사이에 접착수지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 2차전지.
  10. 제9항에 있어서, 상기 접착수지층은 폴리올레핀수지 또는 폴리우레탄수지 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 재질인 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 2차전지.
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