WO2019050177A1 - 파우치 형 이차 전지 - Google Patents

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박종필
최승돈
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a pouch type secondary battery, and more particularly, to a pouch type secondary battery in which, in a situation where a gas is generated in a case and pressure is increased, Battery.
  • Cells and batteries that generate electrical energy through the physical reaction or chemical reaction of a material and supply power to the outside can not acquire the AC power supplied to the building depending on the living environment surrounded by various electronic devices It is used when DC power is needed.
  • a primary cell and a secondary cell which are chemical cells using a chemical reaction, are generally used.
  • a primary cell is a consumable cell which is collectively referred to as a dry cell.
  • a secondary battery is a rechargeable battery in which oxidation and reduction processes between an electric current and a substance are manufactured using a plurality of repeatable materials.
  • the secondary battery includes a nickel cadmium battery, a nickel metal hydride battery, a lithium ion battery, and a lithium ion polymer battery.
  • Such a secondary battery is not limited to small-sized products such as a digital camera, a P-DVD, an MP3P, a mobile phone, a PDA, a portable game device, a power tool and an e-bike, It is also applied to power storage devices that store power and renewable energy, and backup power storage devices.
  • the lithium secondary battery is generally formed by stacking a cathode, a separator, and an anode. These materials are selected in consideration of battery life, charge / discharge capacity, temperature characteristics, stability, and the like.
  • the charging and discharging of the lithium secondary battery proceeds as the lithium ion is intercalated and deintercalated from the lithium metal oxide in the anode to the graphite electrode in the cathode.
  • unit cells stacked in a three-layer structure of a cathode / separator / cathode or a five-layer structure of anode / separator / cathode / separator / anode or cathode / separator / anode / separator / cathode are gathered to be one electrode assembly .
  • Such an electrode assembly is accommodated in a specific case.
  • the secondary battery is classified into a pouch type and a can type according to the material of the case housing the electrode assembly.
  • the pouch type accommodates the electrode assembly in a pouch made of a flexible polymer material having a non-uniform shape.
  • the can type accommodates the electrode assembly in a case made of a material such as metal or plastic having a constant shape.
  • the safety of the secondary battery is threatened due to various problems such as internal short circuit due to external impact, overheating due to overcharge, overheating, electrolyte decomposition due to the overheating, and heat runaway phenomenon.
  • the explosion of the secondary battery is caused by various reasons, but the increase of the gas pressure inside the secondary battery due to the decomposition of the electrolyte is also one cause.
  • a gas is generated by an electrochemical reaction between the electrolyte and the electrode active material.
  • the generated gas raises the internal pressure of the secondary battery to cause problems such as weakening of the bonding force between the parts, case failure of the secondary battery, early operation of the protection circuit, deformation of the electrode, internal short circuit, explosion and the like. Therefore, in the case of a Can type secondary battery, a protective member such as a CID filter and a safety vent is provided, and the electrical connection is physically blocked when the pressure inside the case increases.
  • a protecting member is not sufficiently provided.
  • a pouch type secondary battery including: an electrode assembly including an anode and a cathode; A battery case in the form of a pouch for accommodating the electrode assembly; An electrode tab connected to the electrode and projecting from one side of the electrode assembly; A first electrode lead having one end connected to the electrode tab; A second electrode lead having one end connected to the other end of the first electrode lead and the other end protruding outside the battery case; And at least one of the first electrode lead and the second electrode lead is provided with at least one electrode lead having at least one adhesive surface to be adhered to each other through the connecting portion, Is formed.
  • the notches may be formed in a plurality of notches, and the plurality of notches may be arranged in a line in a direction from the one end of the first or second electrode lead to the other end at regular intervals.
  • predetermined intervals between the plurality of notches may all be the same.
  • predetermined intervals between the plurality of notches may be all different.
  • the predetermined intervals between the plurality of notches may increase in length from one end of the first or second electrode lead toward the other end.
  • the apparatus may further include a warning notifying device for informing the user of the warning.
  • the warning notifying device may measure the resistance of the first and second electrode leads to determine whether the first and second electrode leads are detachable or detachable.
  • the plurality of notches may be formed, and the warning notification device may notify the user of another warning in accordance with the step of detaching the first and second electrode leads.
  • the notch may have a triangular shape in cross section when the first or second electrode lead is cut in the longitudinal direction.
  • the battery case may further include an insulating portion surrounding the first and second electrode leads to adhere the first and second electrode leads to the battery case.
  • the adhesive force between the first and second electrode leads and the connecting portion may be weaker than the adhesive force between the first and second electrode leads and the insulating portion.
  • the insulating portion may surround a portion where the first and second electrode leads are connected through the connecting portion.
  • the insulating portion may be formed of at least one of thermoplastic, thermosetting, and photo-curing resin having electrical insulation.
  • connection portion may be made of a conductive polymer including a conductive material.
  • the connecting portion may have a thickness of 1 to 500 mu m.
  • a plurality of electrode leads are bonded to each other and at least one electrode lead is formed with a plurality of notches on the bonding surface so that when a pressure is increased due to the generation of gas inside the case, Is gradually detached and increased in resistance, so that the user can know the replacement timing before the electric connection is completely cut off.
  • FIG. 1 is an assembled view of a pouch type secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a pouch type secondary battery of FIG. 1 assembled.
  • FIG. 2 is a perspective view of a pouch type secondary battery of FIG. 1 assembled.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a pouch type secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the pouch type secondary battery according to one embodiment of the present invention taken along line A-A 'in FIG.
  • FIG. 5 is a partial sectional view of the pouch type secondary battery according to the embodiment of the present invention taken along line A-A 'in FIG.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a first electrode lead, a second electrode lead, and a connecting portion according to an embodiment of the present invention, in FIG.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a first electrode lead, a second electrode lead, and a connection portion according to another embodiment of the present invention, in FIG.
  • FIG. 8 is an enlarged view of the second electrode lead according to an embodiment of the present invention, which is detached from a portion where the first notch is formed, in FIG.
  • FIG. 9 is an enlarged view of FIG. 6 showing a second electrode lead according to an embodiment of the present invention, which is detached up to a portion where the n-th notch is formed.
  • FIG. 1 is an assembled view of a pouch-type secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of a pouch-type secondary battery 1 of FIG.
  • a process for manufacturing a lithium secondary battery includes firstly preparing a positive electrode plate and a negative electrode plate by applying a slurry in which an electrode active material, a binder and a plasticizer are mixed to a positive electrode collector and a negative electrode collector to form a laminate on both sides of the separator, The electrode assembly 10 of the predetermined shape is formed, and then the electrode assembly 10 is inserted into the battery case 13, and the electrolyte solution is injected and sealed.
  • the electrode assembly (10) includes an electrode tab (11) as shown in FIG.
  • the electrode tabs 11 are connected to the positive electrode and the negative electrode of the electrode assembly 10 and protrude to the outside of the electrode assembly 10 to be a path through which electrons can move between the inside and the outside of the electrode assembly 10 .
  • the current collecting plate of the electrode assembly 10 is composed of a portion coated with the electrode active material and a terminal portion, i.e., a non-coated portion, to which the electrode active material is not applied.
  • the electrode tabs 11 may be formed by cutting the plain weave portion or by connecting a separate conductive member to the plain weave portion by ultrasonic welding or the like.
  • the electrode tabs 11 may protrude in the same direction from one side of the electrode assembly 10 as shown in FIG. 1, but may extend in different directions.
  • Electrode leads 12 are connected to the electrode tabs 11 of the electrode assembly 10 by spot welding or the like.
  • a plurality of electrode leads 12 according to an embodiment of the present invention are formed. 4) is connected to the electrode tab 11 of the electrode assembly 10, and the second electrode lead 12b (see FIG. 4) is connected to the electrode tab 11 of the electrode assembly 10.
  • a detailed description of the first and second electrode leads 12a and 12b will be described later.
  • a part of the electrode lead 12 is surrounded by the insulating portion 14.
  • the insulating portion 14 is located in the sealing portion where the upper pouch 131 of the battery case 13 and the lower pouch 132 are thermally fused and is bonded to the battery case 13.
  • an insulating portion 14 is made of a nonconductive nonconductor which is not electrically conductive.
  • a large number of insulating tapes which are easy to adhere to the electrode leads 12 and have a relatively small thickness, are used, but not limited thereto, various members can be used as long as the electrode leads 12 can be insulated. have.
  • the electrode leads 12 may extend in the same direction or in opposite directions depending on the formation positions of the positive electrode tab 111 and the negative electrode tab 112.
  • the positive electrode lead 121 and the negative electrode lead 122 may have different materials from each other. That is, the cathode lead 121 may be made of the same aluminum material as the anode plate, and the anode lead 122 may be made of the same copper material as the anode plate or a copper material coated with nickel (Ni).
  • Ni nickel
  • the battery case 13 is a pouch made of a soft material.
  • the battery case 13 receives and seals the electrode assembly 10 such that a part of the electrode lead 12, that is, the terminal portion is exposed.
  • the battery case 13 includes an upper pouch 131 and a lower pouch 132, as shown in FIG.
  • the lower pouch 132 is provided with a space capable of accommodating the electrode assembly 10 and the upper pouch 131 is provided at the upper portion of the battery case 13 to prevent the electrode assembly 10 from being detached from the battery case 13.
  • the upper pouch 131 and the lower pouch 132 may be separately manufactured as shown in FIG. 1. However, the upper pouch 131 and the lower pouch 132 may be manufactured in various ways.
  • the electrode lead 12 When the electrode lead 12 is connected to the electrode tab 11 of the electrode assembly 10 and the insulating portion 14 is formed on a part of the electrode lead 12, 10, and an upper pouch 131 covers the space above.
  • the electrolyte is injected into the upper and lower pouches 131 and 132, the secondary battery 1 is manufactured as shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a pouch-type secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention, which is expanded in volume.
  • the battery case 13 is preferably a pouch having a soft material.
  • the battery case 13 is a pouch.
  • the battery case 13 accommodating the electrode assembly 10 includes a gas barrier layer and a sealant layer.
  • the gas barrier layer intercepts the gas flow, and mainly an aluminum foil (Al foil) is used.
  • the sealant layer is located in the innermost layer and directly contacts the electrode assembly 10, and mainly polypropylene (PP) or the like is used.
  • the gas barrier layer may further include a surface protective layer on the upper portion thereof. The surface protective layer is located on the outermost layer, and friction and collision with the outside often occur. Therefore, nylon resin or PET, which has mainly abrasion resistance and heat resistance, is used.
  • the pouch-shaped battery case 13 is manufactured by processing the film of the laminated structure as described above into a bag shape, and injects the electrolyte solution when the electrode assembly 10 is received therein. Thereafter, when the upper pouch 131 and the lower pouch 132 are brought into contact with each other and thermally bonded to the sealing portion, the sealant layers are adhered to each other to seal the battery case 13. At this time, the sealant layer must have insulation property because it comes into direct contact with the electrode assembly 10, and also has corrosion resistance because it comes into contact with the electrolyte solution. In addition, since the inside is completely sealed, the movement of the substance between the inside and the outside must be blocked, and therefore, the sealing must have a high sealing property.
  • the sealing parts bonded together by the sealant layers should have excellent heat bonding strength.
  • a polyolefin-based resin such as polypropylene (PP) or polyethylene (PE) is used for such a sealant layer.
  • polypropylene (PP) is excellent in chemical properties such as tensile strength, rigidity, surface hardness, abrasion resistance and heat resistance, and chemical properties such as corrosion resistance, and is mainly used for producing a sealant layer.
  • the electrode assembly 10 is charged and discharged by an oxidation and reduction reaction. At this time, a certain amount of gas is generated due to the electrochemical reaction between the electrolyte and the electrode active material, and abnormally more gas may be generated due to overcharging or short-circuit due to an abnormal reaction in the electrode assembly 10.
  • the layers of the pouch-shaped battery case 13 have soft materials, if the pressure increases inside the pouch-shaped battery case 13, the volume of the pouch-shaped secondary battery 1 expands as shown in FIG. Recently, when the volume of the secondary battery 1 is expanded as described above, techniques for physically blocking the electrical connection, such as blocking the connection between the electrode tab 11 and the electrode lead 12, have been proposed.
  • the user who uses the product supplied with electric power from the secondary battery 1 can not use the product unexpectedly.
  • the product is an electric vehicle
  • the vehicle can be suddenly stopped while driving on the road, so that the driver can be in a dangerous situation.
  • FIG. 4 is a part of a cross-sectional view taken along the line A-A 'in FIG. 2 of a pouch type secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode lead 12 includes a first electrode lead 12a connected to the electrode tab 11 of the electrode assembly 10 and a second electrode lead 12b protruding to the outside of the battery case 13 .
  • the first electrode lead 12a and the second electrode lead 12b are bonded to each other by bonding one side of each of the first electrode lead 12a and the second electrode lead 12b through the connecting portion 15.
  • the first electrode lead 12a and the second electrode lead 12b are gradually detached (here, 'desorption' is not adsorbed or adhered which may mean that.
  • At least one of the electrode leads 12 is formed with at least one notch 16 on the bonding surface to be adhered via the connecting portion 15 so as to be desorbed step by step.
  • the plurality of notches 16 are arranged at regular intervals. Therefore, in order for the plurality of notches 16 to be formed, the adhesive surface must have a somewhat large area.
  • first and second electrode leads 12a and 12b are located on the same plane and are connected to each other on the different planes rather than the side surfaces are connected to each other. Therefore, as shown in FIG. 4, a step may be formed at a portion where the first and second electrode leads 12a and 12b are connected. A detailed description of the notch 16 will be described later.
  • the connecting portion 15 connecting the first and second electrode leads 12a and 12b to each other is preferably in the form of a thin film having conductivity.
  • the thickness of the connecting portion 15 is preferably 1 to 500 ⁇ , which is very thin. Therefore, even if the first and second electrode leads 12a and 12b form a step, the step size may not be excessively large, and the electricity generated from the electrode assembly 10 may be easily discharged to the outside.
  • the connecting portion 15 is preferably a polymer containing a conductive material.
  • the conductive material may be natural or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fiber or metal fiber; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, nickel, gold, silver and copper powder; A powder having a core / shell structure coated with a different kind of metal on one kind of metal; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives, and the like may be used.
  • the polymer may be selected from the group consisting of acrylic resin, epoxy resin, EPDM (ethylene propylene diene monomer) resin, CPE (chlorinated polyethylene) resin, silicone, polyurethane, urea resin, melamine resin, phenol resin and unsaturated ester resin, PP ), Polyethylene (PE), polyimide, polyamide, and most preferably an acrylic resin.
  • the sealant layer of the battery case 13 is damaged because the portion of the upper pouch 131 and the lower pouch 132 that are in contact with the electrode lead 12 has a relatively high pressure. Since the sealant layer is in direct contact with the electrode assembly 10 as described above, the sealant layer is insulative. However, if the sealant layer is broken, electricity can flow through the electrode lead 12 to the battery case 13. [ In particular, since the gas barrier layer of the battery case 13 is made of a metal such as aluminum, if the sealant layer is partially broken and the gas barrier layer is exposed, electricity can easily flow through contact with the electrode lead 12. [
  • the insulating portion 14 is made of a nonconductive nonconductor which is not electrically conductive. Further, the insulating portion 14 has high mechanical strength and heat resistance. Therefore, when the upper pouch 131 and the lower pouch 132 are thermally fused, the insulating portion 14 maintains the shape, and even if the sealant layer is partially broken and the gas barrier layer is exposed, the electrode lead 12 and the gas barrier layer The contact is blocked. Thereby preventing electricity generated from the electrode assembly 10 from flowing to the battery case 13 through the electrode lead 12. [ And the insulating portion 14 has high adhesiveness.
  • the insulating portion 14 may be made of at least one of thermoplastic, thermosetting and photocurable resin having electrical insulation properties as a polymer resin.
  • thermoplastic, thermosetting and photocurable resin having electrical insulation properties as a polymer resin.
  • various members can be used as long as the electrode leads 12 can be insulated. have.
  • the insulating portion 14 surrounds the first electrode lead 12a, the connecting portion 15, and the second electrode lead 12b. If the first electrode lead 12a or the connecting portion 15 is not surrounded, even if the battery case 13 expands, a repulsive force can not be applied to the first electrode lead 12a and the second electrode lead 12b to be. The repulsive force will be described in detail later.
  • FIG. 5 is a part of a cross-sectional view taken along the line A-A 'in FIG. 2, showing a bulged shape of a pouch-type secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the outer wall of the battery case 13 moves outward.
  • the upper wall and the lower wall of the outer wall of the battery case 13 are larger in area than the side wall and are not sealed, resulting in greater ductility. Therefore, the upper wall of the battery case 13 tends to move upward, and the lower wall tends to move downward.
  • the outer wall of the battery case 13 moves toward the outside and the first electrode lead 12a connected through the insulating portion 14 and the second And a repulsive force is applied to the electrode lead 12b. Therefore, as the inner pressure of the battery case 13 gradually increases, the force required to move the outer wall of the battery case 13 becomes greater, and the magnitude of the repulsive force applied to the first electrode lead 12a and the second electrode lead 12b .
  • the first electrode lead 12a and the second electrode lead 12b may have a larger repulsive force than the adhesive force between the first electrode lead 12a and the second electrode lead 12b. Is eventually detached. Thus, the electrical connection is cut off and electricity can no longer flow.
  • the adhesive force between the first and second electrode leads 12a and 12b and the connecting portion 15 is weaker than the adhesive force between the first and second electrode leads 12a and 12b and the insulating portion 14. Therefore, when a repulsive force is applied to the first electrode lead 12a and the second electrode lead 12b, the adhesive force between the first and second electrode leads 12a and 12b and the insulating portion 14 is maintained, The sealing is maintained, and the first and second electrode leads 12a and 12b are detached from each other.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a first electrode lead 12a, a second electrode lead 12b, and a connection portion 15 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is an enlarged view of FIG. An enlarged view of an enlarged view of the first electrode lead 12a, the second electrode lead 12b, and the connecting portion 15 according to another embodiment.
  • At least one notch 16 is formed on one surface of the second electrode lead 12b in a line with a predetermined interval. At this time, it is preferable that the notch 16 is formed on the bonding surface connected to the first electrode lead 12a among the one surface of the second electrode lead 12b.
  • the notch 16 may be formed only on the second electrode lead 12b, but not limited thereto, the notch 16 may be formed on the first electrode lead 12a,
  • the notches 16 may be formed in both the first and second electrode leads 12a and 12b. Also in this case, it is preferable that the notches 16 are formed on the surfaces connected to the first and second electrode leads 12a and 12b.
  • the notch 16 is described as being formed only in the second electrode lead 12b, but this is for convenience of explanation and is not intended to limit the scope of the right.
  • the second electrode lead 12b When the second electrode lead 12b is detached from the first electrode lead 12a by forming the notch 16 in the second electrode lead 12b, the second electrode lead 12b is formed with the notch 16 Part is detached.
  • the portions where the notches 16 are formed and the portions where the notches 16 are not formed have different adhesive forces.
  • the second electrode leads 12b are gradually detached to the portions where the respective notches 16 are formed. Therefore, when a plurality of notches 16 are formed, it is preferable that the plurality of notches 16 are formed in a line in a longitudinal direction from one end of the second electrode lead 12b to the other end.
  • the notches 16 When the notches 16 are formed in plural, they have a constant interval, and these predetermined intervals may be the same or may not be the same. In particular, as shown in FIG. 6, the intervals between the notches 16 may increase as the distance from one end of the second electrode lead 12b to the other end increases. In this case, as the step of removing the second electrode lead 12b increases, the amount of increase in the internal pressure required for the second electrode lead 12b to be detached is further increased. However, if the predetermined intervals between the notches 16 are all the same, the amount of increase in the internal pressure required for the second electrode lead 12b to be desorbed is always constant even if the step of removing the second electrode lead 12b increases .
  • the notch 16 is recessed on one surface of the second electrode lead 12b and the depression is preferably triangular when cut in the longitudinal direction of the electrode lead 12 as shown in FIG. Do.
  • the second electrode lead 12b can be easily bent near the vertex of the notch 16, so that the second electrode lead 12b is more easily detached.
  • the notch 16 may be formed in various shapes such as a polygonal shape such as a square shape or a pentagon shape, a semicircle shape and the like.
  • five notches 16 may be formed, but the present invention is not limited thereto and may be formed in various numbers. Further, according to another embodiment of the present invention, only one notch 16 may be formed as shown in FIG. In this case, when the second electrode lead 12b is detached to the portion where the one notch 16 is formed, the warning notification device can immediately inform the user of the warning that the secondary battery 1 needs to be replaced.
  • the alarm notification device is a device that measures the resistance of the first and second electrode leads 12a and 12b and informs the user of the warning according to the change of the resistance.
  • the resistance increases.
  • the size of the resistor is inversely proportional to the cross-sectional area of the conductor.
  • the alarm notification device determines that the magnitude of the resistance increases when the magnitude of the current flowing through the first and second electrode leads 12a and 12b decreases. Then, the user is alerted that the first and second electrode leads 12a and 12b have been removed. In this case, the resistance of the battery itself is measured to determine the detachment of the first and second electrode leads 12a and 12b by increasing the resistance of the battery. .
  • FIG. 8 is an enlarged view of the second electrode lead 12b according to an embodiment of the present invention, which is detachably attached to a portion where the first notch 16a is formed, in FIG.
  • the second electrode lead 12b extends to the portion where the first notch 16a is formed Step is detached. Then, the resistance of the electrode lead 12 is increased by a small amount, and the warning alarm device measures the increased resistance to inform the user of the first warning.
  • the size and shape of the first notch 16a, the adhesive force between the connecting portion 15 and the second electrode lead 12b, and the distance from one end of the second electrode lead 12b to the first notch 16a Depending on the conditions, the magnitude of the first pressure may be different. Therefore, the relationship between the above conditions and the magnitude of the first pressure is empirically derived in advance. Then, the user designates the pressure of the desired size as the first pressure, and sets the conditions to the conditions corresponding to the designated first pressure. Then, when the inner pressure of the battery case 13 increases to be equal to or higher than the first pressure specified by the user, the second electrode lead 12b may be detached in one step.
  • FIG. 9 is an enlarged view of FIG. 6 showing a state in which the second electrode lead 12b according to the embodiment of the present invention is detached to a portion where the n-th notch 16 is formed.
  • the second electrode lead 12b When n notches 16 are formed and gas is continuously generated inside the battery case 13 to increase the internal pressure beyond the nth pressure, the second electrode lead 12b, as shown in Fig. 9, N-step is detached to the portion where the n-th notch 16 is formed. When the second electrode lead 12b is detached n stages, the second electrode lead 12b is just before the first electrode lead 12a is completely detached. Therefore, the warning notification device informs the user of the n-th warning that the replacement of the secondary battery 1 is necessary.
  • the warning notification device notifies the fifth warning.
  • the total number of steps in which the second electrode lead 12b is detached is one more than the number of the notches 16 formed in the second electrode lead 12b. If the second electrode lead 12b is detached n + 1 times, the second electrode lead 12b is completely detached from the first electrode lead 12a. Therefore, electricity generated from the electrode assembly 10 is cut off, and power is no longer supplied from the secondary battery 1.
  • the user can grasp the state of the secondary battery 1 through the n-th warning before the secondary battery 1 is in such a state, and can replace the secondary battery 1 in advance.
  • Alert Notifications Alerts can be used in a variety of ways to alert you to sounds, lamps, and numbers.
  • a blue lamp may be lit as a primary warning when the second electrode lead 12b is removed in one step.
  • a green or yellow lamp is turned on to inform the second or third warning.
  • a lamp such as a red lamp is turned on to inform the user of the n-th final warning. That is, if the user is informed of the current state of the secondary battery 1 and the user can easily grasp the replacement timing of the secondary battery 1, the warning notification device can notify the warning in various ways.

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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지는 양극 및 음극을 포함하는 전극과, 분리막이 적층되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 형태의 전지 케이스; 상기 전극과 연결되며 상기 전극 조립체의 일측으로부터 돌출되는 전극 탭; 일단이 상기 전극 탭과 연결되는 제1 전극 리드; 일단이 상기 제1 전극 리드의 타단과 연결되고, 타단이 상기 전지 케이스의 외부로 돌출되는 제2 전극 리드; 및 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드를 서로 접착시켜 연결하는 연결부;를 포함하되, 상기 제1 및 제2 전극 리드 중 적어도 하나에는, 상기 연결부를 통해 서로에게 접착되는 접착면에 적어도 하나의 노치가 형성된다.

Description

파우치 형 이차 전지
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2017년 09월 07일자 한국특허출원 제10-2017-0114613호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 파우치 형 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 케이스의 내부에서 기체가 발생하여 압력이 증가하는 상황에서, 전기적인 연결이 완전히 차단되기 전에 미리 사용자가 교체 시기를 알 수 있는 파우치 형 이차 전지에 관한 것이다.
물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(Cell, Battery)는 각종 전자 기기로 둘러싸여 있는 생활 환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못하거나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.
이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학 전지인 일차 전지와 이차 전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차 전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지이다. 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.
리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층되어 형성된다. 그리고 이들의 재료는 전지수명, 충방전 용량, 온도특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다. 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극의 흑연 전극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.
일반적으로 양극/분리막/음극의 3층 구조, 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 5층 구조로 적층된 단위 셀들이 모여, 하나의 전극 조립체가 된다. 그리고 이러한 전극 조립체는 특정 케이스에 수용된다.
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 형태가 일정하지 않은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 형태가 일정한 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
한편, 이차 전지는 외부 충격에 의한 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의한 발열과 이로 인한 전해질 분해, 열폭주 현상 등 여러 가지 문제로 안전성을 위협받는다. 특히, 이차 전지의 폭발은 여러 가지 원인에서 비롯되지만 전해질 분해에 따라 이차 전지 내부의 기체 압력 증가도 하나의 원인이 된다.
구체적으로, 이차 전지를 반복적으로 충방전하면, 전해질과 전극 활물질에 의한 전기화학적 반응으로 기체가 발생한다. 이 때, 발생한 기체는 이차 전지의 내부 압력을 상승시켜 부품간의 결합력 약화, 이차 전지의 케이스 파손, 보호회로의 조기 작동, 전극의 변형, 내부 단락, 폭발 등의 문제를 발생시킨다. 따라서, 캔 형(Can Type)의 이차 전지의 경우에는, CID 필터 및 안전 벤트와 같은 보호 부재가 마련되어, 케이스의 내부의 압력이 증가하면 전기적 연결을 물리적으로 차단하였다. 그러나, 종래의 파우치 형(Pouch Type)의 이차 전지의 경우에는, 이러한 보호 부재가 충분히 마련되지 않았다.
최근에는 파우치 형(Pouch Type)의 이차 전지에서 케이스의 내부가 팽창하면, 전극 탭과 전극 리드의 연결을 차단하는 등 전기적 연결을 물리적으로 차단하는 기술들이 제안되었다. 그런데 전기적 연결이 갑자기 차단된다면, 상기 이차 전지로부터 전력을 공급받는 제품을 사용하던 사용자는 예상치 못하게 상기 제품을 사용할 수 없게 된다. 특히, 상기 제품이 전기 자동차인 경우, 도로 주행 중에 갑자기 자동차가 정지할 수 있어, 운전자가 매우 위험한 상황에 처할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 케이스의 내부에서 기체가 발생하여 압력이 증가하면, 복수의 전극 리드가 단계적으로 탈착되어, 전기적인 연결이 완전히 차단되기 전에 미리 사용자가 교체 시기를 알 수 있는 파우치 형 이차전지를 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 파우치 형 이차 전지는 양극 및 음극을 포함하는 전극과, 분리막이 적층되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 형태의 전지 케이스; 상기 전극과 연결되며 상기 전극 조립체의 일측으로부터 돌출되는 전극 탭; 일단이 상기 전극 탭과 연결되는 제1 전극 리드; 일단이 상기 제1 전극 리드의 타단과 연결되고, 타단이 상기 전지 케이스의 외부로 돌출되는 제2 전극 리드; 및 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드를 서로 접착시켜 연결하는 연결부;를 포함하되, 상기 제1 및 제2 전극 리드 중 적어도 하나에는, 상기 연결부를 통해 서로에게 접착되는 접착면에 적어도 하나의 노치가 형성된다.
또한, 상기 노치는, 복수로 형성되고, 상기 복수의 노치는, 상기 제1 또는 제2 전극 리드의 상기 일단으로부터 상기 타단으로 향하는 방향으로, 각각 일정 간격들을 가지며 일렬로 나열되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은, 모두 동일할 수 있다.
또한, 상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은, 모두 상이할 수 있다.
또한, 상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은, 상기 제1 또는 제2 전극 리드의 일단으로부터 타단으로 향할수록 길이가 증가할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극 리드가 서로 탈착되면, 사용자에게 경고를 알리는 경고 알림 장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 경고 알림 장치는, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 저항의 크기를 측정하여, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 탈착 여부 및 탈착 단계를 판단 할 수 있다.
또한, 상기 노치는, 복수로 형성되고, 상기 경고 알림 장치는, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 탈착되는 단계에 따라서, 사용자에게 다른 경고를 알릴 수 있다.
또한, 상기 노치는, 상기 제1 또는 제2 전극 리드를 길이 방향으로 절단하였을 때, 단면의 형상이 삼각형일 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 일부를 포위하여, 상기 제1 및 제2 전극 리드를 상기 전지 케이스에 접착시키는 절연부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극 리드와 상기 연결부 간의 접착력은, 상기 제1 및 제2 전극 리드와 상기 절연부 간의 접착력보다 약할 수 있다.
또한, 상기 절연부는, 상기 제1 및 제2 전극 리드가 상기 연결부를 통해 연결된 부분을 포위할 수 있다.
또한, 상기 절연부는, 전기 절연성을 가지는 열가소성, 열경화성, 광경화형 수지 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 연결부는, 도전재를 포함하는 전도성 폴리머로 제조될 수 있다.
또한, 상기 연결부는, 두께가 1 내지 500μm일 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
복수의 전극 리드가 서로 접착되고, 적어도 하나의 전극 리드에는 접착면에 복수의 노치가 형성되어, 케이스의 내부에서 기체가 발생하여 압력이 증가하면, 상기 노치가 형성된 위치를 기준으로 복수의 전극 리드가 단계적으로 탈착되어 저항이 증가함으로써, 전기적인 연결이 완전히 차단되기 전에 미리 사용자가 교체 시기를 알 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 도 1의 파우치 형 이차 전지의 조립이 완료된 모습의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 부피가 팽창한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지를 도 2의 A-A'로 절단한 단면도의 일부이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 부피가 팽창한 모습을 도 2의 A-A'로 절단한 단면도의 일부이다.
도 6은 도 4에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극 리드, 제2 전극 리드 및 연결부를 확대한 확대도이다.
도 7은 도 4에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 전극 리드, 제2 전극 리드 및 연결부를 확대한 확대도이다.
도 8은 도 6에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극 리드가, 제1 노치가 형성된 부분까지 탈착된 모습을 나타낸 확대도이다.
도 9는 도 6에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극 리드가, 제n 노치가 형성된 부분까지 탈착된 모습을 나타낸 확대도이다.
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 도 1의 파우치 형 이차 전지(1)의 조립이 완료된 모습의 사시도이다.
일반적으로 리튬 이차 전지를 제조하는 과정은, 먼저 전극 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극판과 음극판을 제조하고, 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.
전극 조립체(Electrode Assembly, 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 집전판은 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. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 리드(12)는 복수로 형성된다. 그리고, 복수의 전극 리드(12) 중에서, 제1 전극 리드(12a, 도 4에 도시됨)는 전극 조립체(10)의 전극 탭(11)과 연결되고, 제2 전극 리드(12b, 도 4에 도시됨)는 전지 케이스(Battery Case, 13)의 외부로 돌출된다. 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)에 대한 자세한 설명은 후술한다. 그리고, 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 절연부(14)는 전지 케이스(13)의 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 열 융착되는 실링부에 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 케이스의 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) 및 음극 탭(112)의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(121)는 양극 판과 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극 판과 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.
파우치 형 이차 전지(1)에서 전지 케이스(13)는 연성의 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 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 포함한다. 하부 파우치(132)에는 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 공간이 마련되고, 상부 파우치(131)는 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 공간을 상부에서 커버한다. 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 분리되어 별도로 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 일측이 서로 연결되어 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 전극 리드(12)가 연결되고, 전극 리드(12)의 일부분에 절연부(14)가 형성되면, 하부 파우치(132)에 마련된 공간에 전극 조립체(10)가 수용되고, 상부 파우치(131)가 상기 공간을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)의 테두리에 형성된 실링부가 실링되면, 도 2에 도시된 바와 같이 이차 전지(1)가 제조된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 부피가 팽창한 모습을 나타낸 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)는, 연성의 재질을 가지는 파우치인 것이 바람직하다. 이하, 전지 케이스(13)는 파우치인 것으로 설명한다.
일반적으로 전극 조립체(10)를 수용하는 전지 케이스(13)는, 가스 배리어 층(Gas Barrier Layer)과 실란트 층(Sealant Layer)을 포함한다. 가스 배리어 층은 가스 출입을 차단하는 것으로, 주로 알루미늄 박막(Al Foil)이 사용된다. 실란트 층은 최내층에 위치하여 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하고, 주로 폴리프로필렌(PP) 등이 사용된다. 그리고 가스 배리어 층의 상부에는 표면 보호 층을 더 포함할 수도 있다. 표면 보호 층은 최외층에 위치하여 외부와의 마찰 및 충돌이 자주 발생한다. 따라서, 주로 내마모성 및 내열성을 가지는 나일론(Nylon) 수지 또는 PET가 사용된다.
파우치 형 전지 케이스(13)는 상기와 같은 적층 구조의 필름이 주머니 형태로 가공되어 제조되며, 전극 조립체(10)가 내부에 수용되면 전해액을 주입한다. 그 후에 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 서로 접촉시키고, 실링부에 열 압착을 하면 실란트 층끼리 접착됨으로써 전지 케이스(13)가 실링된다. 이 때, 실란트 층은 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가져야 하며, 또한 전해액과도 접촉하므로 내식성을 가져야 한다. 또한, 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트 층끼리 접착된 실링부는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로 이러한 실란트 층에는 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 특히, 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어나, 실란트 층을 제조하는데 주로 사용된다.
한편, 일반적으로 전극 조립체(10)에서는 산화 및 환원 반응에 의해 충전 및 방전된다. 이 때, 전해질과 전극 활물질에 의한 전기화학적 반응으로 어느 정도 기체가 발생하는데, 전극 조립체(10)의 내부의 이상 반응에 의한 과충전 또는 쇼트 등의 이유로 비정상적으로 더욱 많은 기체가 발생할 수도 있다. 그런데 상기 파우치 형 전지 케이스(13)는 각 층들이 모두 연성의 재질을 가지므로, 내부에서 압력이 증가한다면, 도 3에 도시된 바와 같이 파우치 형 이차 전지(1)의 부피가 팽창한다. 최근에는 이와 같이 이차 전지(1)의 부피가 팽창하면, 전극 탭(11)과 전극 리드(12)의 연결을 차단하는 등 전기적 연결을 물리적으로 차단하는 기술들이 제안되었다. 그런데 전기적 연결이 갑자기 차단된다면, 상기 이차 전지(1)로부터 전력을 공급받는 제품을 사용하던 사용자는 예상치 못하게 상기 제품을 사용할 수 없게 된다. 특히, 상기 제품이 전기 자동차인 경우, 도로 주행 중에 갑자기 자동차가 정지할 수 있어, 운전자가 매우 위험한 상황에 처할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)를 도 2의 A-A'로 절단한 단면도의 일부이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(1)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 리드(12)가 복수로 형성된다. 즉, 전극 리드(12)는 전극 조립체(10)의 전극 탭(11)과 연결되는 제1 전극 리드(12a) 및 전지 케이스(13)의 외부로 돌출되는 제2 전극 리드(12b)를 포함한다. 그리고 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)는 각각 일면이 연결부(15)를 통해 접착됨으로써, 서로 연결된다.
하기 기술할 바, 전지 케이스(13)의 내부의 압력이 증가하면, 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)가 단계적으로 탈착된다(여기서 '탈착'은 흡착 또는 부착된 것이 떨어진다는 것을 의미할 수 있음). 그리고, 서로 단계적으로 탈착되기 위해, 적어도 하나의 전극 리드(12)에는, 연결부(15)를 통해 접착되는 접착면에 적어도 하나의 노치(16)가 형성된다. 노치(16)가 복수로 형성된 경우, 복수의 노치(16)들은 각각 일정 간격을 가지며 나열된다. 따라서, 복수의 노치(16)가 형성되기 위해서는, 상기 접착면은 어느 정도 넓은 면적을 가져야 한다. 따라서, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)는, 동일 평면상에 위치하여 측면이 연결되는 것보다는, 서로 다른 평면상에 위치하여 상하면이 서로 연결되는 것이 바람직하다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)가 연결되는 부분에서는 단차가 형성될 수 있다. 상기 노치(16)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)를 서로 연결하는 연결부(15)는, 전도성을 가지는 얇은 필름 형태인 것이 바람직하다. 특히, 연결부(15)의 두께는 1 내지 500 μm로 매우 얇은 것이 바람직하다. 따라서, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)가 단차를 형성하더라도, 단차의 크기가 과도하게 크지 않을 수 있으며, 전극 조립체(10)로부터 생성된 전기를 용이하게 외부로 방출할 수 있다. 이를 위해, 연결부(15)는 도전재를 포함하는 폴리머인 것이 바람직하다.
도전재는 천연 또는 인조 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유 또는 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화카본, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 구리 분말 등의 금속 분말; 1종의 금속 위에 이종의 금속으로 코팅된 Core/Shell 구조를 가지는 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등 가운데 적어도 하나가 사용될 수 있다.
상기 폴리머는 열경화성 고분자 수지로 아크릴 수지, 에폭시 수지, EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 수지, CPE(Chlorinated Polyethylene) 수지, 실리콘, 폴리우레탄, 우레아 수지, 멜라민 수지, 페놀수지 및 불포화에스테르 수지, PP(polypropylene), PE(polyethylene), polyimide, polyamide 중의 적어도 하나를 포함하며, 아크릴 수지가 가장 바람직하다.
한편 상기 기술한 바와 같이, 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 실링되는 과정에서, 전극 리드(12)와 접촉하는 부분은 상대적으로 압력이 높으므로, 전지 케이스(13)의 실란트 층이 파손될 가능성이 높다. 이러한 실란트 층은 상기 기술한 바와 같이, 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가진다. 그러나, 실란트 층이 파손된다면, 전극 리드(12)를 통해서 전지 케이스(13)로 전기가 흐를 수 있다. 특히, 전지 케이스(13)의 가스 배리어 층은 알루미늄과 같은 금속으로 제조되므로, 실란트 층이 조금이라도 파손되어 가스 배리어 층이 노출된다면, 전극 리드(12)와 접촉하여 전기가 용이하게 흐를 수 있다.
따라서, 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 또한, 절연부(14)는 높은 기계적 강도와 내열성을 가진다. 따라서 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 열 융착될 때 절연부(14)는 형태를 유지하여, 실란트 층이 일부 파손되어 가스 배리어 층이 노출되더라도 전극 리드(12)와 가스 배리어 층의 접촉을 차단한다. 그럼으로써 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 전지 케이스(13)로 흐르는 것을 방지한다. 그리고 절연부(14)는 높은 접착성을 가진다. 따라서, 전지 케이스(13)의 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 열 융착되는 실링부에 한정되어 위치하여, 전극 리드(12)를 전지 케이스(13)에 접착시킨다. 이러한 절연부(14)는 고분자 수지로서, 전기 절연성을 지니는 열가소성, 열경화성, 광경화형 수지 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 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.
도 4에 도시된 바와 같이, 절연부(14)는 제1 전극 리드(12a), 연결부(15) 및 제2 전극 리드(12b)를 모두 포위한다. 만약, 제1 전극 리드(12a) 또는 연결부(15)를 포위하지 않는다면, 전지 케이스(13)가 팽창하더라도 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)에 척력을 인가할 수 없기 때문이다. 척력에 대한 자세한 설명은 후술한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 부피가 팽창한 모습을 도 2의 A-A'로 절단한 단면도의 일부이다.
상기 기술한 바, 파우치 형 전지 케이스(13)의 내부에서 압력이 증가한다면, 파우치 형 이차 전지(1)의 부피가 팽창한다. 따라서 도 5에 도시된 바와 같이, 전지 케이스(13)의 외벽이 외측을 향해 이동한다. 이 때, 전지 케이스(13)의 외벽 중에 상벽 및 하벽은 측벽보다 면적이 넓고 실링이 되어 있지 않아, 연성이 더욱 크다. 따라서, 전지 케이스(13)의 상벽은 상방으로, 하벽은 하방으로 이동하는 경향이 크다.
이차 전지(1)의 부피가 팽창하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 전지 케이스(13)의 외벽이 외측을 향해 이동하면서 절연부(14)를 통해 연결된 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)에 척력을 인가한다. 따라서, 전지 케이스(13)의 내부 압력이 점점 증가하면 전지 케이스(13)의 외벽이 이동하려는 힘이 더욱 커지고, 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)에 인가되는 척력의 크기도 더욱 증가한다. 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)간의 접착력보다 상기 척력의 크기가 더 커지게 되면, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)는 결국 탈착된다. 따라서, 전기적 연결이 차단되어, 전기가 더 이상 흐를 수가 없다. 다만, 이 때 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)와 연결부(15) 간의 접착력은, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)와 절연부(14) 간의 접착력보다 약하다. 따라서, 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)에 척력이 인가되면, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)와 절연부(14) 사이의 접착력은 유지되어 전지 케이스의 실링이 유지되고, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)가 서로 탈착된다.
도 6은 도 4에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극 리드(12a), 제2 전극 리드(12b) 및 연결부(15)를 확대한 확대도이고, 도 7은 도 4에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 전극 리드(12a), 제2 전극 리드(12b) 및 연결부(15)를 확대한 확대도이다.
한편, 제2 전극 리드(12b)의 일면에는, 적어도 하나의 노치(16)가 일정 간격을 가지며 일렬로 나열되어 형성된다. 이 때, 노치(16)는 제2 전극 리드(12b)의 일면 중에서, 제1 전극 리드(12a)와 연결된 접착면에 형성되는 것이 바람직하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 노치(16)가 제2 전극 리드(12b)에만 형성될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 제1 전극 리드(12a)에 노치(16)가 형성될 수도 있으며, 나아가 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b) 모두에게 노치(16)가 형성될 수 있다. 이 때에도, 노치(16)는 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b) 서로와 연결된 면에 형성되는 것이 바람직하다. 이하, 제2 전극 리드(12b)에만 노치(16)가 형성된 것으로 설명하나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며 권리범위를 제한하기 위함이 아니다.
제2 전극 리드(12b)에 노치(16)가 형성됨으로써, 제2 전극 리드(12b)가 제1 전극 리드(12a)로부터 탈착될 때, 제2 전극 리드(12b)는 노치(16)가 형성된 부분까지 탈착된다. 제1 전극 리드(12a)와 연결된 접착면 중에서, 노치(16)가 형성된 부분과 노치(16)가 형성되지 않은 부분은 접착력이 서로 다르기 때문이다. 그리고, 노치(16)가 복수로 형성되면, 제2 전극 리드(12b)는 각각의 노치(16)가 형성된 부분까지 단계적으로 탈착된다. 따라서, 노치(16)가 복수로 형성된 경우, 상기 복수의 노치(16)는 제2 전극 리드(12b)의 일단으로부터 타단으로 향하는 길이 방향으로, 일렬로 나열되며 형성되는 것이 바람직하다.
노치(16)가 복수로 형성된 경우 각각 일정 간격을 가지며, 이러한 일정 간격들은 모두 동일할 수도 있으나, 동일하지 않을 수도 있다. 특히 도 6에 도시된 바와 같이, 각 노치(16) 간의 일정 간격들도 제2 전극 리드(12b)의 일단으로부터 타단으로 향할수록 길이가 증가할 수 있다. 이러한 경우, 제2 전극 리드(12b)가 탈착되는 단계가 증가할수록 제2 전극 리드(12b)가 탈착되기 위해 필요한 내부 압력의 증가량이 더욱 증가한다. 그러나 만약, 각 노치(16) 간의 일정 간격들이 모두 동일하다면, 제2 전극 리드(12b)가 탈착되는 단계가 증가하더라도 제2 전극 리드(12b)가 탈착되기 위해 필요한 내부 압력의 증가량이 항상 일정하다.
노치(16)는 제2 전극 리드(12b)의 일면에 함몰되어 형성되며, 함몰되는 모양은 도 6에 도시된 바와 같이, 전극 리드(12)의 길이 방향으로 절단하였을 때 절단면이 삼각형인 것이 바람직하다. 노치(16)의 꼭짓점 부근에서 제2 전극 리드(12b)가 용이하게 절곡될 수 있으므로, 제2 전극 리드(12b)가 더욱 용이하게 탈착되기 때문이다. 다만, 제2 전극 리드(12b)가 용이하게 탈착될 수 있다면, 노치(16)는 이에 제한되지 않고 사각형이나 오각형 등의 다각형, 반원 등 다양한 모양으로 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 노치(16)는 5개가 형성될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 다양한 개수로 형성될 수 있다. 나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 노치(16)는 도 7에 도시된 바와 같이 하나만 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 제2 전극 리드(12b)가 상기 하나의 노치(16)가 형성된 부분까지 탈착되면, 경고 알림 장치는 곧바로 사용자에게 이차 전지(1)의 교체가 필요하다는 경고를 알릴 수 있다.
경고 알림 장치란 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)의 저항을 측정하여, 상기 저항의 변화에 따라 사용자에게 경고를 알리는 장치이다. 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)가 서로 탈착될수록, 즉 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b) 간의 접착면이 감소할수록 저항이 증가한다. 저항의 크기는 도체의 단면적과 반비례하기 때문이다. 그러나 전압의 크기는 일정하므로, 경고 알림 장치는 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)에 흐르는 전류의 크기가 감소하면, 저항의 크기가 증가한 것으로 판단한다. 그리고, 사용자에게 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)가 탈착되었다는 경고를 알린다. 이러한 경고 알림 장치는 BMS(Battery Management System)일 수 있으며, 이 경우에는 전지 자체의 저항을 측정하여, 전지의 저항의 증가를 통해 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)의 탈착을 판단할 수 있다.
도 8은 도 6에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극 리드(12b)가, 제1 노치(16a)가 형성된 부분까지 탈착된 모습을 나타낸 확대도이다.
전지 케이스(13)의 내부에서 기체가 발생하여 내부 압력이 제1 압력 이상으로 증가하면, 도 8에 도시된 바와 같이 제2 전극 리드(12b)가, 제1 노치(16a)가 형성된 부분까지 1단계 탈착된다. 그러면, 전극 리드(12)의 저항이 소량 증가하고, 경고 알림 장치가 증가한 저항을 측정하여 사용자에게 1차 경고를 알린다.
이 때, 제1 노치(16a)의 크기, 모양, 연결부(15)와 제2 전극 리드(12b) 간의 접착력, 제2 전극 리드(12b)의 일단으로부터 제1 노치(16a)까지의 거리 등의 조건들에 따라, 상기 제1 압력의 크기가 상이할 수 있다. 따라서, 상기의 조건들과, 제1 압력의 크기 간의 관계를 실험적으로 미리 도출한다. 그리고, 사용자가 희망하는 크기의 압력을 제1 압력으로 지정하고, 상기 조건들을 상기 지정된 제1 압력에 대응되는 조건들로 설정한다. 그러면, 상기 전지 케이스(13)의 내부 압력이 상기 사용자가 지정한 제1 압력 이상으로 증가할 때, 제2 전극 리드(12b)가 1단계 탈착될 수 있다.
도 9는 도 6에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극 리드(12b)가, 제n 노치(16)가 형성된 부분까지 탈착된 모습을 나타낸 확대도이다.
노치(16)가 n개 형성되고, 전지 케이스(13)의 내부에서 기체가 계속 발생하여 내부 압력이 제n 압력 이상으로 증가하면, 도 9에 도시된 바와 같이 제2 전극 리드(12b)가, 제n 노치(16)가 형성된 부분까지 n단계 탈착된다. 제2 전극 리드(12b)가 n단계 탈착이 되면, 제2 전극 리드(12b)가 제1 전극 리드(12a)로부터 완전히 탈착되기 직전이다. 따라서, 경고 알림 장치는 사용자에게 이차 전지(1)의 교체가 필요하다는 n차 경고를 알린다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이 노치(16)가 5개 형성되었을 때, 전지 케이스(13)의 내부 압력이 제5 압력 이상으로 증가하면, 제2 전극 리드(12b)가, 제5 노치(16)가 형성된 부분까지 5단계 탈착된다. 그리고, 경고 알림 장치는 5차 경고를 알린다.
제2 전극 리드(12b)가 탈착되는 총 단계의 수는, 제2 전극 리드(12b)에 형성된 노치(16)의 수보다 하나가 더 많다. 만약, 제2 전극 리드(12b)가 n+1단계 탈착되면, 제2 전극 리드(12b)가 제1 전극 리드(12a)로부터 완전히 탈착된 것이다. 따라서, 전극 조립체(10)로부터 생성된 전기가 차단되어, 더 이상 이차 전지(1)로부터 전력이 공급되지 않는다. 사용자는 이차 전지(1)가 이러한 상태가 되기 전에, 상기 n차 경고를 통해 이차 전지(1)의 상태를 파악하고, 이차 전지(1)를 미리 교체할 수 있다.
경고 알림 장치의 경고는 소리, 램프, 숫자 등 사용자에게 알릴 수 있다면 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 경고 알림 장치가 램프를 통해 사용자에게 경고를 알린다면, 제2 전극 리드(12b)가 1단계 탈착되었을 때, 1차 경고로서 파란색의 램프가 점등될 수 있다. 그리고, 2단계, 3단계로 탈착이 진행되면, 초록색, 노란색 등의 램프가 점등되어 2차, 3차 경고를 알릴 수 있다. 그리고, n단계로 탈착이 진행되면, 빨간색 등의 램프가 점등되어 사용자에게 n차의 최종 경고를 알릴 수 있다. 즉, 사용자에게 이차 전지(1)의 현재 상태를 알려주어, 사용자가 이차 전지(1)의 교체 시기를 용이하게 파악할 수 있다면, 경고 알림 장치는 다양한 방법으로 경고를 알릴 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.

Claims (15)

  1. 양극 및 음극을 포함하는 전극과, 분리막이 적층되는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 형태의 전지 케이스;
    상기 전극과 연결되며 상기 전극 조립체의 일측으로부터 돌출되는 전극 탭;
    일단이 상기 전극 탭과 연결되는 제1 전극 리드;
    일단이 상기 제1 전극 리드의 타단과 연결되고, 타단이 상기 전지 케이스의 외부로 돌출되는 제2 전극 리드; 및
    상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드를 서로 접착시켜 연결하는 연결부;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 전극 리드 중 적어도 하나에는,
    상기 연결부를 통해 서로에게 접착되는 접착면에 적어도 하나의 노치가 형성되는 파우치 형 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노치는,
    복수로 형성되고,
    상기 복수의 노치는,
    상기 제1 또는 제2 전극 리드의 상기 일단으로부터 상기 타단으로 향하는 방향으로, 각각 일정 간격들을 가지며 일렬로 나열되어 형성되는, 파우치 형 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은,
    모두 동일한, 파우치 형 이차 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은,
    모두 상이한, 파우치 형 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은,
    상기 제1 또는 제2 전극 리드의 일단으로부터 타단으로 향할수록 길이가 증가하는, 파우치 형 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 리드가 서로 탈착되면, 사용자에게 경고를 알리는 경고 알림 장치를 더 포함하는, 파우치 형 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 경고 알림 장치는,
    상기 제1 및 제2 전극 리드의 저항의 크기를 측정하여, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 탈착 여부 및 탈착 단계를 판단하는, 파우치 형 이차 전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 노치는,
    복수로 형성되고,
    상기 경고 알림 장치는,
    상기 제1 및 제2 전극 리드의 탈착되는 단계에 따라서, 사용자에게 다른 경고를 알리는, 파우치 형 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 노치는,
    상기 제1 또는 제2 전극 리드를 길이 방향으로 절단하였을 때, 단면의 형상이 삼각형인, 파우치 형 이차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 리드의 일부를 포위하여, 상기 제1 및 제2 전극 리드를 상기 전지 케이스에 접착시키는 절연부를 더 포함하는 파우치 형 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 리드와 상기 연결부 간의 접착력은,
    상기 제1 및 제2 전극 리드와 상기 절연부 간의 접착력보다 약한, 파우치 형 이차 전지.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 절연부는,
    상기 제1 및 제2 전극 리드가 상기 연결부를 통해 연결된 부분을 포위하는, 파우치 형 이차 전지.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 절연부는,
    전기 절연성을 가지는 열가소성, 열경화성, 광경화형 수지 중 적어도 하나로 형성되는, 파우치 형 이차 전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 연결부는,
    도전재를 포함하는 전도성 폴리머로 제조되는, 파우치 형 이차 전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 연결부는,
    두께가 1 내지 500μm인, 파우치 형 이차 전지.
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