WO2019083169A1 - 이차 전지용 외장재 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

이차 전지용 외장재 및 이를 포함하는 이차 전지

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WO2019083169A1
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polymer resin
secondary battery
layer
adhesive layer
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박선일
신동현
양정엽
이정두
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삼성에스디아이 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to an outer casing for a secondary battery and a secondary battery including the same.
  • the secondary battery includes an electrode assembly composed of an anode and a cathode, and a separator interposed between the anode and the cathode, and a case accommodating the electrode assembly.
  • the case of the secondary battery may take various forms such as a cylindrical case, a rectangular case, or a pouch-shaped case.
  • the pouch type case is mainly used because it is particularly suitable for manufacturing a thin-walled cell and has a simple structure and easy fabrication.
  • One embodiment of the present invention is to provide an outer sheath for a secondary battery which is improved in moisture barrier property and thinner and lighter.
  • Another embodiment of the present invention provides a secondary battery including the outer sheath for the secondary battery.
  • a method of manufacturing a semiconductor device comprising a first polymeric resin layer, a second polymeric resin layer located on a first surface of the first polymeric resin layer and attached via a first adhesive layer, wherein the first polymer resin layer and the second polymer resin layer each include a fluorine-containing resin, the inner resin layer being disposed on two sides of the outer surface of the first polymeric resin layer and having a second adhesive layer interposed therebetween.
  • the present invention provides an electrode assembly, and a secondary battery including the outer casing for a secondary battery according to the present invention for accommodating the electrode assembly.
  • the outer sheath for a secondary battery according to an embodiment of the present invention has excellent moisture permeability and flexibility and can be made lighter and thinner even after an excessive molding process.
  • the secondary battery according to another embodiment of the present invention employs a thinned outer sheath for a secondary battery, a thin secondary battery can be realized, and the energy density of electrons can be increased to increase the capacity of the secondary battery.
  • FIGS. 1 to 4 each show a casing for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view showing the secondary battery of FIG. 5 in an exploded state.
  • the conventional pouch-type case generally comprises an inner resin layer, a moisture-barrier metal layer, and an outer resin layer.
  • the moisture-blocking metal layer is made of a metal material, when the external force is exerted for molding, the water-barrier metal layer is damaged, moisture penetration into the secondary battery becomes easy, Causing deterioration of performance of the secondary battery and corrosion of the casing, thereby causing electrolyte leakage.
  • the conventional pouch-type case includes a moisture barrier metal layer having a certain thickness or more, And the flexibility of the secondary battery is deteriorated.
  • the inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve such problems. As a result, it has been found that when at least two polymer resin layers containing a fluorine-containing resin are laminated and used in place of the moisture barrier metal layer, It is possible to obtain an exterior material for a secondary battery excellent in flexibility and completed the present invention.
  • the outer sheath of the secondary battery according to the present invention uses a polymer resin as a material, the secondary battery can be made lighter and thinner, and when applied to a secondary battery, a thin secondary battery can be realized and a secondary battery with increased capacity can be obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a casing for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the outer sheath 130 for a secondary battery includes a first polymer resin layer 31 and a second polymer resin layer 31 disposed on the first surface of the first polymer resin layer 31, And an inner resin layer 70 disposed on the second surface of the first polymer resin layer 31 and attached through the second adhesive layer 52.
  • the second polymer resin layer 32 may be formed of a polymer resin.
  • At this time, at least one of the first polymer resin layer 31 and the second polymer resin layer 32 may include a fluorine-containing resin.
  • the fluorine-containing resin may be, for example, chlorotrifluoroethylene (CTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene chloride (PVDF) ), Polyvinyl chloride (PVF), perfluoroalkoxy (PFA), fluorinated ethylene propylene (FEP), ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ethylene tetrafluoroethylene) Ethylene, ETFE), and ethylene chlorotrifluoroethylene (ECTFE).
  • CTFE chlorotrifluoroethylene
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene chloride
  • PFA polyvinyl chloride
  • FEP perfluoroalkoxy
  • FEP fluorinated ethylene propylene
  • ETFE ethylene tetrafluoroethylene copolymer
  • ECTFE
  • the fluorine-containing resin is transparent, it is easy to observe the state of the inner electrode assembly in the assembling process of applying the outer casing for the secondary battery to the secondary battery.
  • the first polymer resin layer 31 and the second polymer resin layer 32 may be made of the same material.
  • the first polymer resin layer 31 and the second polymer resin layer 32 are made of the same material as described above, since the first and second polymer resin layers 31 and 32 can have a uniform adhesive force, It is possible to prevent a problem that a portion having a low adhesive force at first is removed first.
  • the first polymer resin layer 31 and the second polymer resin layer 32 may each have a thickness in the range of 10 ⁇ to 200 ⁇ , and more specifically, in the range of 10 ⁇ to 50 ⁇ or 10 ⁇ to 20 ⁇ Lt; / RTI >
  • the first polymer resin layer 31 and the second polymer resin layer 32 satisfy the above ranges, the first polymer resin layer 31 and the second polymer resin layer 32 are laminated in multiple layers, So that it is possible to constitute an exterior material having various thicknesses by controlling the thickness of the exterior material. Further, there is an advantage that it is not necessary to separately use a separate member for protecting the exterior material including the first polymer resin layer 31 and the second polymer resin layer 32 from the external environment.
  • the inner resin layer 70 is formed for improving the insulation property and electrolyte resistance of the outer shell 130 for the secondary battery, and may be formed of, for example, a copolymer of a polyolefin or a polyolefin. More specifically, The polyolefin may be polyethylene (PE) or polypropylene (PP), but is not limited thereto.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • the thickness of the inner resin layer 70 may be 5 ⁇ to 100 ⁇ , 10 ⁇ to 50 ⁇ , or 15 ⁇ to 30 ⁇ . When the thickness of the internal resin layer 70 satisfies the above range, moldability, adhesiveness, and chemical resistance are excellent.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a casing for a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • the outer casing 131 for a secondary battery includes an outer resin layer 132 located on the opposite side of the second polymer resin layer 32, on which the first polymer resin layer 31 is located, (80).
  • a third adhesive layer 53 may be disposed between the second polymer resin layer 32 and the external resin layer 80 to attach them.
  • the outer resin layer 80 serves to protect the outer sheath 131 for the secondary battery from the external environment and may be made of a material such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene naphthalate, , Polycarbonate, and nylon film, but is not limited thereto.
  • the thickness of the external resin layer 80 may be 10 ⁇ to 100 ⁇ , or 10 ⁇ to 50 ⁇ .
  • the thickness of the external resin layer 80 is 10 ⁇ m or more, the physical properties are excellent and it is not easily torn.
  • the thickness is 100 ⁇ m or less, the moldability such as injection and forming is excellent and the battery capacity per unit volume of the secondary battery can be improved.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a casing for a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • the outer sheath 132 for a secondary battery includes at least one third polymer resin layer (not shown) located on the opposite surface of the second polymer resin layer 32 on the opposite side of the first polymer resin layer 31, (33).
  • the fourth adhesive layer 54 is positioned between the second polymer resin layer 32 and the third polymer resin layer 33 to attach them. At this time, when a plurality of third polymer resin layers 33 are stacked, a plurality of fourth adhesive layers 54 may be disposed between the plurality of third polymer resin layers 33.
  • the third polymer resin layer 33 has the same characteristics as the first polymer resin layer 31 and the second polymer resin layer 32, detailed description thereof will be omitted here.
  • the moisture resistance before and after the molding of the outer casing for a secondary battery according to the present embodiment is improved.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a casing for a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • the outer sheath 133 for the secondary battery may further include an outer resin layer 80 located on the outermost surface of the third polymer resin layer 33, that is, on the surface exposed to the outside.
  • a third adhesive layer 53 may be disposed between the third polymer resin layer 33 and the external resin layer 80 to attach them.
  • the outer resin layer 80 is the same as that described above and therefore will not be described here.
  • the first to fourth adhesive layers 51, 52, 53, and 54 have adhesiveness, and materials well known in the art can be used without limitation.
  • a polyurethane- Can be used.
  • Each of the first to fourth adhesive layers 51, 52, 53, and 54 may have a thickness in the range of 1 ⁇ to 10 ⁇ .
  • the thickness of each adhesive layer satisfies the above-described numerical value range, it is possible to make the outer casing for a secondary battery thinner.
  • the outer sheath 130, 131, 132, and 133 according to the present invention are formed by laminating at least two polymer resin layers including a fluorine-containing resin instead of the moisture barrier metal layer, And can be easily applied to a flexible secondary battery.
  • FIG. 5 is a perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the secondary battery of FIG. 5.
  • a secondary battery 200 includes an electrode assembly 10 and a casing 130 that receives the electrode assembly 10, and the casing 130 May be the facings 130, 131, 132 and 133 according to the present invention.
  • the electrode assembly 10 performs a charging and discharging function.
  • the separator 13 is interposed between the positive electrode 11, which is the first electrode, and the negative electrode 12, which is the second electrode.
  • the polarities of the first electrode and the second electrode are not particularly limited. That is, the first electrode may be the cathode 12 and the second electrode may be the anode 11.
  • the positive electrode 11 is composed of a positive electrode current collector made of a thin metal plate such as aluminum and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector.
  • the negative electrode 12 is made of a negative electrode current collector made of a thin metal plate such as copper, And an anode active material layer formed on the anode active material layer.
  • the electrode assembly 10 may have a flat structure after the separator 13 is sandwiched between the strip-shaped anode 11 and the cathode 12, followed by winding and pressing.
  • the electrode assembly 10 may have a structure in which a plurality of positive electrodes 11 and negative electrodes 12 each having a sheet shape are alternately stacked with the separator 13 interposed therebetween ≪ / RTI > The separator 13 is interposed between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 to provide a passage through which the ions move while insulating the positive electrode 11 and the negative electrode 12 from each other.
  • a positive electrode uncoated portion and a negative uncoated portion are located at one end of the electrode assembly 10, a positive electrode terminal 21 is welded to the uncoated portion, and a negative electrode terminal 22 is welded to the uncoated portion Respectively.
  • the casing 130 includes a housing 15 having the electrode assembly 10 and an opening formed at one side thereof and a lid 25 for sealing the opening .
  • the accommodating portion 15 can be manufactured in such a manner that an opening is formed on one side of a wide surface in the hexahedron by, for example, injection molding or forming.
  • the above-described electrode assembly 10 is inserted into the opening, and the opening is sealed by the lid 25.
  • the lid part 25 can be sealed by being adhered to each other along the line on one side where the opening of the storage part 15 is located, using an adhesive.
  • the lid part 25 is directly attached to the inner resin layers 70 of the cover material constituting the housing part 15 and the lid part 25 without a separate adhesive, and is then sealed It is possible.
  • the secondary battery 200 according to the present invention employs a thinned secondary battery shell, it is possible to realize a thin secondary battery and increase the energy density of electrons to increase the capacity of the secondary battery.
  • CTFE chlorotrifluoroethylene
  • a laminate was prepared in the same manner as in Example 1, except that an outer resin layer made of nylon having a thickness of 25 ⁇ was further laminated on the second polymer resin layer via a third adhesive layer having a thickness of 2 ⁇
  • Example 2 The same procedure as in Example 1 was carried out except that a third polymer resin layer having a thickness of 15 mu m made of chlorotrifluoroethylene (CTFE) was further laminated on the second polymer resin layer via a fourth adhesive layer having a thickness of 2 mu m To prepare a laminate.
  • CTFE chlorotrifluoroethylene
  • a laminate was prepared in the same manner as in Example 3, except that an outer resin layer made of nylon having a thickness of 25 ⁇ was further laminated on the third polymer resin layer via a third adhesive layer having a thickness of 2 ⁇ .
  • An inner resin layer made of polypropylene having a thickness of 30 mu m, a metal layer made of aluminum having a thickness of 25 mu m, and an outer resin layer made of nylon having a thickness of 16 mu m were laminated in this order.
  • a laminate was prepared in the same manner as in Example 1, except that polyethylene terephthalate (PET) which is a fluorine-free resin was used as a material for the first polymer resin layer and the second polymer resin layer.
  • PET polyethylene terephthalate
  • An internal resin layer made of polypropylene having a thickness of 25 mu m, an adhesive layer having a thickness of 2 mu m, and a polymer resin layer having a thickness of 15 mu m made of chlorotrifluoroethylene (CTFE) were laminated in this order.
  • a laminate was prepared in the same manner as in Comparative Example 3, except that an external resin layer made of nylon having a thickness of 25 mu m was further laminated on the polymer resin layer with an adhesive layer having a thickness of 2 mu m therebetween.
  • Samples having a size of 100 mm x 100 mm were prepared for the laminate produced according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, respectively.
  • each sample was immobilized on a mounting table, a constant amount of water was continuously sprayed on one side, the amount of moisture detected on the opposite side after passing through the laminate was captured by a sensor, and the moisture permeability was evaluated by a numerical method.
  • the laminate of the examples has a similar level or better resistance to the laminate produced according to the comparative example 1 including the metal thin film layer instead of the polymer resin layer as in the prior art.
  • WVTR water vapor transmission rate
  • molding was performed by applying a pressure in the thickness direction to the laminate using a stamp made of a metal having a size of 30 mm x 30 mm, and then deforming the laminate such that the laminate protruded by about 6 mm in the thickness direction.
  • the laminate produced according to Examples 1 to 4 has excellent moldability characteristics of about 100 times or more as compared with the laminate of Comparative Examples 1 to 4.
  • the evaluation was carried out by measuring stress-strain curves according to ASTM D3039 and ASTM D638 using a universal test machine (UTM) instrument.

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Abstract

본 기재는 제1 고분자 수지층, 상기 제1 고분자 수지층의 제1 면에 위치하며 제1 접착층을 개재하여 부착된 제2 고분자 수지층, 및 상기 제1 고분자 수지층의 제2 면에 위치하며 제2 접착층을 개재하여 부착된 내부 수지층을 포함하고, 상기 제1 고분자 수지층 및 상기 제2 고분자 수지층은 각각 불소 함유 수지를 포함하는 이차 전지용 외장재 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.

Description

이차 전지용 외장재 및 이를 포함하는 이차 전지
본 기재는 이차 전지용 외장재 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 양극과 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터로 구성된 전극 어셈블리와 상기 전극 어셈블리가 수납되는 케이스로 구성된다. 이차 전지의 케이스로는 원통형 케이스, 각형 케이스 또는 파우치형 케이스 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
특히, 파우치형 케이스는 얇은 두께의 셀 제작에 특히 적합하며 구조가 간단하여 제작이 용이한 장점이 있어 주로 이용되고 있다.
본 기재의 일 구현예는 수분 차단성을 향상시킴과 동시에 박막화 및 경량화된 이차 전지용 외장재를 제공하는 것이다.
본 기재의 다른 구현예는 상기 이차 전지용 외장재를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
일 측면에서, 본 기재는, 제1 고분자 수지층, 상기 제1 고분자 수지층의 제1 면에 위치하며 제1 접착층을 개재하여 부착된 제2 고분자 수지층, 및 상기 제1 고분자 수지층의 제2 면에 위치하며 제2 접착층을 개재하여 부착된 내부 수지층을 포함하고, 상기 제1 고분자 수지층 및 상기 제2 고분자 수지층은 각각 불소 함유 수지를 포함하는 이차 전지용 외장재를 제공한다.
다른 측면에서, 본 기재는, 전극 조립체, 및 상기 전극 조립체를 수용하는 본 발명에 따른 이차 전지용 외장재를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지용 외장재는 과도한 성형 공정을 거친 후에도 우수한 내투습성 및 유연성을 가지며 경량화 및 박막화가 가능하다.
본 기재의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 박막화된 이차 전지용 외장재를 적용하기 때문에 박형 이차 전지의 구현이 가능하고, 전자의 에너지 밀도를 향상시켜 이차 전지의 용량을 증가시킬 수 있다.
도 1 내지 도 4는 각각 본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지용 외장재를 나타낸 것이다.
도 5는 본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도를 나타낸 것이다.
도 6은 도 5의 이차 전지를 분해하여 도시한 분해 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
종래의 파우치형 케이스는 일반적으로 내부 수지층, 수분 차단 금속층, 외부 수지층으로 구성된다. 그런데, 이러한 구조를 갖는 파우치형 케이스에서 수분 차단 금속층은 금속 재료로 이루어지기 때문에 성형을 위하여 외부에서 과도한 힘이 가해지는 경우 수분 차단 금속층이 손상되어 이차 전지 내부로 수분 침투가 용이하게 되고, HF 가스 발생의 원인이 되어 이차 전지의 성능 저하 및 외장재의 부식을 유발하여 전해액 누액을 발생시키는 문제점이 있다.
더욱이, 최근 웨어러블 전자 기기 등에 대한 수요가 지속적으로 증가하면서 유연성이 뛰어난 이차 전지에 대한 수요가 증가하고 있으나, 종래의 파우치형 케이스는 일정 두께 이상의 수분 차단 금속층을 포함하기 때문에 벤딩시 구겨짐과 같은 변형이 발생되어 이차 전지의 유연성을 저하시키는 문제점도 있다.
본 발명의 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 수분 차단 금속층 대신 불소 함유 수지를 포함하는 적어도 둘 이상의 고분자 수지층을 적층하여 사용하는 경우 과도한 성형 공정을 거친 후에도 내투습성이 우수하고 유연성이 뛰어난 이차 전지용 외장재를 얻을 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
또한, 본 기재에 따른 이차 전지용 외장재는 고분자 수지를 재료로 사용하기 때문에 경량화 및 박막화가 가능하여 이를 이차 전지에 적용하는 경우 박형 이차 전지를 구현할 수 있고, 용량이 증가된 이차 전지를 얻을 수 있다.
도 1에는 본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지용 외장재의 단면을 나타내었다.
본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지용 외장재(130)는 제1 고분자 수지층(31), 상기 제1 고분자 수지층(31)의 제1 면에 위치하며 제1 접착층(51)을 개재하여 부착된 제2 고분자 수지층(32) 및 상기 제1 고분자 수지층(31)의 제2 면에 위치하며 제2 접착층(52)을 개재하여 부착된 내부 수지층(70)을 포함할 수 있다.
이때, 제1 고분자 수지층(31) 및 상기 제2 고분자 수지층(32) 중 적어도 하나는 불소 함유 수지를 포함할 수 있다.
상기 불소 함유 수지는, 예를 들면, 클로로트리플루오르에틸렌 (ChloroTriFluoroEthylene, CTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌 (PolyChloroTriFluoroEthylene, PCTFE), 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리불화비닐리덴 (polyvinylidene chloride, PVDF), 폴리불화비닐 (Polyvinyl Chloride, PVF), 퍼플루오르알콕시 (Per Fluoro Alkoxy, PFA), 4불화 에틸렌-6불화프로필렌 공중합체 (Fluorinated ethylene propylene, FEP), 에틸렌 4불화에틸렌 공중합체 (Ethylene Tetra fluoro Ethylene, ETFE) 및 에틸렌 클로로트리플루오르에틸렌공중합체 (Ethylene ChloroTriFluoroEthylene, ECTFE)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종일 수 있다.
이때, 상기 불소 함유 수지는 투명하기 때문에 이차 전지용 외장재를 이차 전지에 적용하는 조립 공정에서 내부의 전극 조립체 상태를 쉽게 관찰할 있어 불량 유무의 파악이 용이한 장점도 있다.
본 기재에서 상기 제1 고분자 수지층(31) 및 상기 제2 고분자 수지층(32)은 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 이와 같이 제1 고분자 수지층(31) 및 상기 제2 고분자 수지층(32)이 동일한 소재로 이루어지는 경우, 제1 및 제2 고분자 수지층(31, 32) 간에 균일한 접착력을 가질 수 있기 때문에 성형 시 접착력이 낮은 부분이 먼저 탈리 되는 문제점을 방지할 수 있다. 아울러, 접착제 선정 시 하나의 물질에 대한 접착만 고려하면 되기 때문에 접착제 선정이 유리하다는 장점이 있다.
본 기재에서 제1 고분자 수지층(31) 및 상기 제2 고분자 수지층(32)은 각각 10 ㎛ 내지 200 ㎛일 수 있고, 보다 구체적으로, 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 또는 10 ㎛ 내지 20 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 제1 고분자 수지층(31) 및 제2 고분자 수지층(32) 각각의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 제1 고분자 수지층(31) 및 제2 고분자 수지층(32) 각각을 다층으로 적층하여 외장재를 구성하는 경우에도 외장재의 두께를 제어하여 다양한 두께를 갖는 외장재를 구성할 수 있다. 또한, 제1 고분자 수지층(31) 및 제2 고분자 수지층(32)을 포함하는 외장재를 외부 환경으로부터 보호하는 별도의 부재를 따로 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.
다음으로, 내부 수지층(70)은 이차 전지용 외장재(130)의 절연성 및 내전해액성 등을 향상시키기 위한 것으로, 예를 들면, 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체로 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌(poly ethylene, PE) 또는 폴리프로필렌(poly propylene, PP)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
내부 수지층(70)의 두께는 5 ㎛ 내지 100㎛, 10㎛ 내지 50㎛ 또는 15㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 내부 수지층(70)의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우 성형성, 접착성 및 내화학성이 우수하다.
도 2에는 본 기재의 다른 실시예에 따른 이차 전지용 외장재의 단면을 나타내었다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지용 외장재(131)는 제2 고분자 수지층(32)의 양 면 중, 제1 고분자 수지층(31)이 위치하는 반대 면에 위치하는 외부 수지층(80)을 더 포함할 수 있다.
이때, 제2 고분자 수지층(32) 및 외부 수지층(80) 사이에는 제3 접착층(53)을 배치시켜 이들을 부착할 수 있다.
외부 수지층(80)은 외부 환경으로부터 이차 전지용 외장재(131)을 보호하는 역할을 하는 것으로, 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트, 공중합 폴리에스테르, 폴리카보네이트 및 나일론필름으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 외부 수지층(80)의 두께는 10㎛ 내지 100㎛, 또는 10㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 외부 수지층(80)의 두께가 10㎛ 이상인 경우 물리적 특성이 우수하여 쉽게 찢어지지 않고, 100㎛ 이하인 경우 사출, 포밍 등의 성형성이 우수하며 이차 전지의 단위 부피당 전지 용량을 향상시킬 수 있다.
도 2를 참고하여 설명한 본 실시예에서, 제3 접착층 및 외부 수지층을 제외한 다른 구성은 도 1을 참고하여 설명한 일 실시예에 따른 이차 전지용 외장재와 동일하므로 여기서는 생략하기로 한다.
도 3에는 본 기재의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 외장재의 단면을 나타내었다.
도 3을 참조하면, 이차 전지용 외장재(132)는 제2 고분자 수지층(32)의 양 면 중, 제1 고분자 수지층(31)이 위치하는 반대 면에 위치하는 적어도 하나 이상의 제3 고분자 수지층(33)을 더 포함할 수 있다.
이때, 제2 고분자 수지층(32) 및 제3 고분자 수지층(33) 사이에는 제4 접착층(54)이 위치하여 이들을 부착한다. 이때, 제3 고분자 수지층(33)이 복수개 적층되는 경우에는 복수의 제3 고분자 수지층(33) 사이에 복수의 제4 접착층(54)이 위치할 수도 있다.
제3 고분자 수지층(33)은 전술한 제1 고분자 수지층(31) 및 제2 고분자 수지층(32)과 동일한 특성을 가지므로 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
이와 같이 제3 고분자 수지층(33)을 적어도 한 층 이상 더 포함하는 경우 본 실시예에 따른 이차 전지용 외장재의 성형 전후 내투습성 특성이 향상되는 효과가 있다.
도 3을 참고하여 설명한 본 실시예에서, 제4 접착층 및 제3 고분자 수지층을 제외한 다른 구성은 도 1을 참고하여 설명한 일 실시예에 따른 이차 전지용 외장재와 동일하므로 여기서는 생략하기로 한다.
도 4에는 본 기재의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지용 외장재의 단면을 나타내었다.
도 4를 참고하면, 이차 전지용 외장재(133)은 제3 고분자 수지층(33)의 면 중 최외곽, 즉, 외부에 노출되는 면에 위치하는 외부 수지층(80)을 더 포함할 수 있다.
이때, 제3 고분자 수지층(33) 및 외부 수지층(80) 사이에는 제3 접착층(53)을 배치시켜 이들을 부착할 수 있다.
외부 수지층(80)은 전술한 것과 동일하므로 여기서는 생략한다.
도 4를 참고하여 설명한 본 실시예에서, 각 구성에 관한 상세한 설명은 도 1 내지 도 3을 참고하여 설명한 실시예들에 기재된 이차 전지용 외장재와 동일하므로 여기서는 생략하기로 한다.
한편, 본 기재에서 상기 제1 접착층 내지 제4 접착층(51, 52, 53, 54)은 접착성을 갖는 것으로 당해 기술분야에 잘 알려진 재료를 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면, 폴리 우레탄계 접착제 등을 사용할 수 있다.
또한, 제1 접착층 내지 제4 접착층(51, 52, 53, 54) 각각은 1㎛ 내지 10㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 각 접착층의 두께가 상기 수치 범위를 만족하는 경우 이차 전지용 외장재의 박막화가 가능하다.
본 기재에 따른 이차 전지용 외장재(130, 131, 132, 133)는 상기한 바와 같이 수분 차단 금속층 대신 불소 함유 수지를 포함하는 적어도 둘 이상의 고분자 수지층을 적층하여 사용하기 때문에 과도한 성형에도 우수한 내투습성을 유지할 수 있고, 유연성이 뛰어나 플렉서블 이차 전지에 쉽게 적용할 수 있다.
다음으로, 본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 살펴보기로 한다.
도 5는 본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도를 나타낸 것이고, 도 6은 도 5의 이차 전지를 분해하여 도시한 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 기재의 일 실시예에 따른 이차 전지(200)는 전극 조립체(10) 및 상기 전극 조립체(10)를 수용하는 외장재(130)를 포함하고, 상기 외장재(130)는 전술한 본 발명에 따른 외장재들(130, 131, 132, 133)일 수 있다.
먼저, 상기 전극 조립체(10)는 충전 및 방전 기능을 수행하는 것으로, 제1 전극인 양극(11)과 제2 전극인 음극(12) 사이에 세퍼레이터(13)가 개재된 형태로 제조된다. 이때, 제1 전극 및 제2 전극의 극성은 특별히 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 전극이 음극(12)이고, 제2 전극이 양극(11)일 수도 있다.
한편, 양극(11)은 알루미늄 등의 금속 박판으로 이루어진 양극 집전체와 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질층으로 이루어지고, 음극(12)은 구리 등의 금속 박판으로 이루어진 음극 집전체와 음극 집전체 상에 형성된 음극 활물질층으로 이루어진다.
또한, 전극 조립체(10)는 띠 형상의 양극(11)과 음극(12) 사이에 세퍼레이터(13)가 개재된 후, 권취된 후 가압하여 납작한 구조로 이루어질 수도 있다.
다만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며 상기 전극 조립체(10)는 사각 시트(sheet) 형상으로 이루어진 복수 개의 양극(11)과 음극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 교대로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 세퍼레이터(13)는 양극(11)과 음극(12) 사이에 개재되어 양극(11)과 음극(12)을 절연하면서 이온이 이동하는 통로를 제공한다.
다음으로, 상기 전극 조립체(10)에서 일 측 단부에는 양극 무지부와 음극 무지부가 위치하며, 양극 무지부에는 양극 단자(21)가 용접으로 부착되고 음극 무지부에는 음극 단자(22)가 용접으로 부착된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 외장재(130)는 상기 전극 조립체(10)가 내장되며 일 측에 개구가 형성된 수납부(15) 및 상기 개구를 밀봉하는 덮개부(25)를 포함할 수 있다.
이때, 수납부(15)는, 예를 들면, 사출, 포밍 등의 방법으로, 육면체에서 넓은 면의 일 측에 개구가 형성된 형태로 제조될 수 있다.
이러한 개구에 전술한 전극 조립체(10)가 삽입되며, 상기 개구는 덮개부(25)에 의해 밀봉된다.
여기서, 덮개부(25)는 상기 수납부(15)의 개구가 위치하는 일 측의 라인을 따라 접착제를 이용하여 합착하여 밀폐될 수 있다.
또는, 본 발명에서 상기 덮개부(25)는 별도의 접착제 없이 수납부(15) 및 덮개부(25)를 이루는 외장재의 내부 수지층(70)끼리 직접 부착한 후 열 융착 등의 방법으로 밀폐될 수도 있다.
본 기재에 따른 이차 전지(200)는 박막화된 이차 전지용 외장재를 적용하기 때문에 박형 이차 전지의 구현이 가능하고, 전자의 에너지 밀도를 향상시켜 이차 전지의 용량을 증가 시킬 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 살펴보기로 한다.
실시예 1
25㎛ 두께의 폴리프로필렌으로 이루어진 내부 수지층, 2㎛ 두께의 제2 접착층, 클로로트리플루오르에틸렌 (ChloroTriFluoroEthylene, CTFE)로 이루어진 15㎛ 두께의 제1 고분자 수지층, 2㎛ 두께의 제1 접착층 및 클로로트리플루오르에틸렌 (ChloroTriFluoroEthylene, CTFE)로 이루어진 15㎛ 두께의 제2 고분자 수지층을 차례로 적층하여 적층체를 제조하였다.
실시예 2
제2 고분자 수지층 상에 2㎛ 두께의 제3 접착층을 개재하여 25㎛ 두께의 나일론으로 이루어진 외부 수지층을 더 적층한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체를 제조하였다
실시예 3
제2 고분자 수지층 상에 2㎛ 두께의 제4 접착층을 개재하여 클로로트리플루오르에틸렌 (ChloroTriFluoroEthylene, CTFE)로 이루어진 15㎛ 두께의 제3 고분자 수지층을 더 적층한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체를 제조하였다.
실시예 4
제3 고분자 수지층 상에 2㎛ 두께의 제3 접착층을 개재하여 25㎛ 두께의 나일론으로 이루어진 외부 수지층을 더 적층한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 적층체를 제조하였다.
비교예 1
30㎛ 두께의 폴리프로필렌으로 이루어진 내부 수지층, 25㎛ 두께의 알루미늄으로 이루어진 금속층 및 16㎛ 두께의 나일론으로 이루어진 외부 수지층을 차례로 적층하여 적층체를 제조하였다.
비교예 2
제1 고분자 수지층 및 제2 고분자 수지층의 재료로 불소를 함유하지 않는 수지인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체를 제조하였다.
비교예 3
25㎛ 두께의 폴리프로필렌으로 이루어진 내부 수지층, 2㎛ 두께의 접착층 및 클로로트리플루오르에틸렌 (ChloroTriFluoroEthylene, CTFE)로 이루어진 15㎛ 두께의 고분자 수지층을 차례로 적층하여 적층체를 제조하였다.
비교예 4
고분자 수지층 상에 2㎛ 두께의 접착층을 개재하여 25㎛ 두께의 나일론으로 이루어진 외부 수지층을 더 적층한 것을 제외하고는 비교예 3과 동일한 방법으로 적층체를 제조하였다.
실험예 1 - 내투습성 평가
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 적층체에 대하여, 100 mm ×100 mm인 샘플을 각각 제작하였다.
이후, 각 샘플을 거치 대에 고정시키고 정량의 수분을 한쪽 면으로 계속 분사하여 적층체 통과 후 반대편에서 검출되는 수분의 양을 센서로 포착한 후 이를 수치화 하는 방법으로 내투습성을 평가하였다.
결과는 하기 표 1에 나타내었다.
구분 WVTR (g/m2day)
실시예 1 0.0005
실시예 2 0.0001
실시예 3 0.00006
실시예 4 0.00001
비교예 1 0.0001
비교예 2 0.01
비교예 3 0.01
비교예 4 0.007
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예들과 같이 적어도 불소 함유 수지를 포함하는 고분자 수지층을 적어도 2 이상 포함하는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 적층체의 경우, 내투습성이 우수한 것을 확인할 수 있다.이에 반해, 고분자 수지층을 2 이상 포함하더라도 불소 함유 수지를 포함하지 않는 비교예 2에 따라 제조된 적층체, 불소 함유 수지를 포함하더라도 고분자 수지층을 한 층만 포함하는 비교예 3 및 4에 따라 제조된 적층체의 경우, 실시예들과 비교할 때, 내투습성이 현저하게 낮다.
또한, 종래와 같이 고분자 수지층 대신 금속 박막층을 포함하는 비교예 1에 따라 제조된 적층체와 비교하여도 실시예들의 적층체의 내투습성이 유사한 수준이거나 더 우수한 것을 알 수 있다.
실험예 2 - 성형 특성 측정
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 적층체를 이용하여 성형을 한 후 실험예 1과 동일한 방법으로 WVTR(Water Vapor Transmission rate)을 측정하여 성형 전 후의 내투습성을 측정하는 방법으로 성형 특성을 측정하였다.
이때, 성형은, 30 mm × 30 mm 크기의 금속으로 이루어진 스템프를 이용하여 적층체에 두께 방향으로 압력을 가한 후, 적층체가 두께 방향으로 6 mm 정도 돌출되도록 변형시키는 방법으로 수행하였다.
결과는 하기 표 2에 나타내었다.
구분 WVTR 측정 결과 (g/m2day) 변화 (g/m2day)
성형 전 성형 후
실시예 1 0.0005 0.0009 +0.0004
실시예 2 0.0001 0.0002 +0.0001
실시예 3 0.00006 0.00008 +0.00002
실시예 4 0.00001 0.00002 +0.00001
비교예 1 0.00001 0.3 +0.2999
비교예 2 0.01 0.5 +0.49
비교예 3 0.01 3.84 +3.83
비교예 4 0.007 1.04 +1.033
표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 적층체의 경우에는 성형 후에도 수분 투습량 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다.이에 반해, 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 적층체의 경우에는 성형 과정에서 외장재가 손상되어 성형 후 수분 투습량이 급격하게 증가한 것을 확인할 수 있다.
이를 통해 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 적층체가 비교예 1 내지 4의 적층체와 비교할 때, 100배 이상 정도의 우수한 성형성 특성을 가짐을 알 수 있다.
실험예 3 - 탄성 변형률 평가
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 적층체에 대하여, 탄성 변형률 평가를 실시하였다.
평가는 UTM (Universal test machine)장비를 이용하여 ASTM D3039 및 ASTM D638 방법에 따라 stress-strain curve를 측정하는 방법으로 수행하였다.
결과는 하기 표 3에 나타내었다.
구분 탄성 변형률(%)
실시예 1 3.012
실시예 2 3.4
실시예 3 3.321
실시예 4 3.548
비교예 1 0.65
비교예 2 3.204
비교예 3 2.709
비교예 4 2.95
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예들과 같이 적어도 불소 함유 수지를 포함하는 고분자 수지층을 적어도 2 이상 포함하는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 적층체의 경우 탄성 변형률이 매우 우수한 것을 확인할 수 있다. 그러나, 종래와 같이 고분자 수지층 대신 금속 박막층을 포함하는 비교예 1에 따라 제조된 적층체의 경우에는 실시예들과 비교할 때, 탄성 변형률이 현저하게 떨어지는 것을 알 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
[부호의 설명]
31: 제1 고분자 수지층
32: 제2 고분자 수지층
33: 제3 고분자 수지층
51: 제1 접착층
52: 제2 접착층
53: 제3 접착층
54: 제4 접착층
70: 내부 수지층
80: 외부 수지층
130, 131, 132, 133: 이차 전지용 외장재
200: 이차 전지
10: 전극 조립체
21: 양극 단자
22: 음극 단자
15: 수납부
25: 덮개부
11: 양극
12: 음극
13: 세퍼레이터

Claims (9)

  1. 제1 고분자 수지층;
    상기 제1 고분자 수지층의 제1 면에 위치하며 제1 접착층을 개재하여 부착된 제2 고분자 수지층; 및
    상기 제1 고분자 수지층의 제2 면에 위치하며 제2 접착층을 개재하여 부착된 내부 수지층;
    을 포함하고,
    상기 제1 고분자 수지층 및 상기 제2 고분자 수지층은, 각각, 불소 함유 수지를 포함하는 이차 전지용 외장재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자 수지층 및 상기 제2 고분자 수지층은, 각각, 10㎛ 내지 200㎛ 범위의 두께를 갖는 이차 전지용 외장재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 불소 함유 수지는 클로로트리플루오르에틸렌 (ChloroTriFluoroEthylene, CTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌 (PolyChloroTriFluoroEthylene, PCTFE), 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리불화비닐리덴 (polyvinylidene chloride, PVDF), 폴리불화비닐 (Polyvinyl Chloride, PVF), 퍼플루오르알콕시 (Per Fluoro Alkoxy, PFA), 4불화 에틸렌-6불화프로필렌 공중합체 (Fluorinated ethylene propylene, FEP), 에틸렌 4불화에틸렌 공중합체 (Ethylene Tetra fluoro Ethylene, ETFE) 및 에틸렌 클로로트리플루오르에틸렌공중합체 (Ethylene ChloroTriFluoroEthylene, ECTFE)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 이차 전지용 외장재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자 수지층 및 상기 제2 고분자 수지층은 동일한 소재로 이루어진 이차 전지용 외장재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층은 각각 1㎛ 내지 10㎛ 범위의 두께를 갖는 것인 이차 전지용 외장재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 고분자 수지층은,
    상기 제1 고분자 수지층이 위치하는 반대 면에 위치하며 제3 접착층을 개재하여 부착되는 외부 수지층을 더 포함하는 이차 전지용 외장재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 고분자 수지층은,
    상기 제1 고분자 수지층이 위치하는 반대 면에 위치하며 제4 접착층을 개재하여 부착된 적어도 하나 이상의 제3 고분자 수지층을 더 포함하는 이차 전지용 외장재.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 고분자 수지층은,
    상기 제2 고분자 수지층이 위치하는 반대 면에 위치하며 제3 접착층을 개재하여 부착되는 외부 수지층을 더 포함하는 이차 전지용 외장재.
  9. 전극 조립체, 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지용 외장재
    를 포함하는 이차 전지.
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