WO2022124802A1 - 이차전지 및 이를 포함하는 전지 모듈 - Google Patents

이차전지 및 이를 포함하는 전지 모듈 Download PDF

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WO2022124802A1
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inner layer
battery case
secondary battery
layer
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임훈희
김상훈
강민형
유형균
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery and a battery module including the same, and more particularly, to a secondary battery capable of discharging gas generated therein and a battery module including the same.
  • lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries having advantages such as high energy density, discharge voltage, and output stability.
  • Secondary batteries are also classified according to the structure of an electrode assembly in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode are stacked.
  • a jelly roll-type electrode assembly having a structure in which long sheet-shaped positive and negative electrodes are wound with a separator interposed therebetween, a number of positive and negative electrodes cut into units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween. and stacked electrode assemblies.
  • the secondary battery is a cylindrical secondary battery in which the electrode assembly is built in a cylindrical case, a prismatic secondary battery in which the electrode assembly is built in a prismatic case, and the electrode assembly is built in a pouch-type case of a laminate sheet. It may be classified as a pouch-type secondary battery.
  • the amount of gas generated inside the secondary battery increases.
  • the secondary battery is sealed and the gas inside may be discharged. In this case, since the lifespan of the secondary battery is significantly reduced, a solution is required.
  • An object of the present invention is to provide a secondary battery capable of effectively discharging gas generated therein and a battery module including the same.
  • a first embodiment includes an electrode assembly including electrode sheets and a separator positioned between the electrode sheets; a pouch-type battery case in which the electrode assembly is accommodated; an electrode lead connected to the electrode assembly and protruding to the outside of the battery case; and a lead film surrounding the electrode lead and interposed between the electrode lead and the battery case.
  • the lead film includes an outer layer surrounding the electrode lead and an inner layer located inside the outer layer, and the inner layer relates to a secondary battery including a material having higher air permeability than the outer layer.
  • the outer surface of the inner layer and the inner surface of the outer layer may be bonded to each other.
  • a third embodiment according to the first or second embodiment,
  • one end of the inner layer may be exposed to the outside, and inside the battery case, the other end of the inner layer may be surrounded by the outer layer.
  • a fourth embodiment according to the first or second embodiment,
  • one end of the inner layer may be exposed to the outside, and inside the battery case, the other end of the inner layer may be exposed to the space inside the battery case.
  • a fifth embodiment according to the first or second embodiment,
  • one end of the inner layer may be surrounded by the outer layer, and inside the battery case, the other end of the inner layer may be exposed to the space inside the battery case.
  • one end of the inner layer may be surrounded by the outer layer, and inside the battery case, the other end of the inner layer may be surrounded by the outer layer.
  • a seventh embodiment according to the fifth or sixth embodiment,
  • the width in the electrode lead extension direction of the lead film of the outer layer surrounding one end of the inner layer may be 2 mm or more.
  • a thickness of the outer layer between the inner layer and the battery case may be 100 to 300 ⁇ m.
  • a ninth embodiment according to any one of the first to eighth embodiments,
  • the inner layer may have a thickness of 50 to 150 ⁇ m.
  • a gas permeability of the outer layer may be 4 to 40 barrer at 60°C.
  • the moisture penetration amount of the outer layer may be 0.02 to 0.2 g for 10 years at 25 °C, 50 %RH.
  • a gas permeability of the inner layer may be 1.6 e 5 to 1.6 e 7 barrer.
  • the outer layer may include a polyolefin-based resin.
  • the polyolefin-based resin may include at least one material selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polyvinyldifluoride (PVDF).
  • a fourteenth embodiment according to any one of the first to thirteenth embodiments,
  • the inner layer may include one or more materials selected from the group consisting of polyolefin-based resins, fluorine-based resins, natural materials, glass fibers, ceramic fibers, and metal fibers. have.
  • the polyolefin-based resin may include at least one material selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polyvinyldifluoride (PVDF).
  • the fluorine-based resin may include at least one material selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride.
  • the natural material may include at least one material selected from the group consisting of cotton and wool.
  • a portion of the outer layer may be positioned between the inner layer and one surface of the electrode lead.
  • the battery case may include an upper case and a lower case.
  • the upper sealing part of the upper case and the lower sealing part of the lower case may be bonded to each other.
  • the lead film may be positioned between the upper sealing part and the lower sealing part.
  • the lead film may be formed to be longer than the upper sealing part and the lower sealing part, so that the lead film may be exposed in each of the inside and the outside of the battery case.
  • An area where the lead film is exposed from the outside of the battery case may be the same as an area where the lead film is exposed from the inside of the battery case.
  • An area in which the lead film is exposed from the outside of the battery case may be larger than an area where the lead film is exposed from the inside of the battery case.
  • the outer layer may include an upper outer layer positioned between the upper sealing part and the electrode lead and a lower outer layer positioned between the lower sealing part and the electrode lead.
  • the inner layer may include an upper inner layer surrounded by the upper outer layer and a lower inner layer surrounded by the lower outer layer.
  • the upper outer layer may include a first upper outer layer and a second upper outer layer, and the upper inner layer may be positioned between the first upper outer layer and the second upper outer layer.
  • the twenty-fourth embodiment is according to the twenty-second embodiment or the twenty-third embodiment,
  • the lower outer layer may include a first lower outer layer and a second lower outer layer, and the lower inner layer may be positioned between the first lower outer layer and the second lower outer layer.
  • the inner layer may be in contact with one surface of the electrode lead.
  • a battery module of the following embodiments In order to solve the above problems, according to an aspect of the present invention, there is provided a battery module of the following embodiments.
  • the 26th embodiment comprises:
  • It relates to a battery module including a secondary battery according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a state in which the secondary battery of FIG. 1 is sealed.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A' of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing an enlarged portion "C" of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line B-B' of FIG. 2 .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing an enlarged portion "D" of FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining a specific configuration of a lead film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing the shape of a lead film according to a comparative example of the present invention.
  • 12 and 13 are partial cross-sectional views showing the shape of the lead film according to other embodiments of the present invention, respectively.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where there is another part in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to gravity not.
  • planar it means when the target part is viewed from above, and "cross-sectional” means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a state in which the secondary battery of FIG. 1 is sealed.
  • 3 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A' of FIG. 2 .
  • the secondary battery 100 includes electrode sheets 210 and 220 and a separator 230 positioned between the electrode sheets 210 and 220 . to the electrode assembly 200; a pouch-type battery case 300 in which the electrode assembly 200 is accommodated; The electrode leads 400 and 500 are connected to the electrode assembly 200 and protrude to the outside of the battery case; and a lead film 600 surrounding the electrode leads 400 and 500 and interposed between the electrode leads 400 and 500 and the battery case 300 .
  • the electrode assembly 200 includes the electrode sheets 210 and 220 on which the electrode tabs 210t are formed, and the separator 230 positioned between the electrode sheets 210 and 220 .
  • the electrode assembly 200 according to the present embodiment may be a stack-type electrode assembly, a jelly roll-type electrode assembly, or a stack/folding-type electrode assembly.
  • 3 illustrates a stacked electrode assembly as an example.
  • the stacked electrode assembly may have a structure in which a plurality of electrode sheets 210 and 220 are stacked with a separator 230 interposed therebetween.
  • Each of the electrode sheets 210 and 220 may be formed by coating an electrode active material on an electrode current collector, and a portion of the electrode current collector may protrude to provide an electrode tab 210t.
  • the electrode sheets 210 and 220 may be divided into a positive electrode sheet and a negative electrode sheet, and a separator 230 may be interposed between the positive electrode sheet and the negative electrode sheet.
  • any one electrode sheet 210 may be a positive electrode sheet, and the electrode tab 210t protruding therefrom may be a positive electrode tab.
  • the other electrode sheet 220 may be a negative electrode sheet, and an electrode tab (not shown) protruding therefrom may be a negative electrode tab.
  • the electrode tab according to the present embodiment may be connected to the electrode lead.
  • electrode tabs 210t of any one polarity may be bonded to any one electrode lead 400
  • electrode tabs (not shown) having a different polarity may be bonded to another electrode lead 500 .
  • These electrode leads 400 and 500 may protrude from both ends of the battery case 300 .
  • the two electrode leads 400 and 500 protrude in opposite directions in FIGS. 1 and 2
  • One of the two electrode leads 400 and 500 may be an anode lead, and the other may be a cathode lead.
  • the electrode tab 210t shown in FIG. 3 is a positive electrode tab
  • the electrode lead 400 connected thereto is a positive electrode lead.
  • the battery case 300 is a pouch-type case.
  • the battery case 300 may include an upper case 310 and a lower case 320 bonded to each other.
  • the battery case 300 including the upper case 310 and the lower case 320 may be a laminate sheet including a resin layer and a metal layer.
  • each of the upper case 310 and the lower case 320 may include an inner resin layer for sealing, a metal layer preventing material penetration, and an outermost outer resin layer.
  • the outer resin layer may have excellent tensile strength and weather resistance compared to its thickness and exhibit electrical insulation.
  • the outer resin layer may include a polyethylene terephthalate (PET) resin or a nylon resin.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the metal layer may prevent air, moisture, etc. from flowing into the pouch-type secondary battery 100 .
  • the metal layer may include aluminum (Al).
  • the inner resin layer may be bonded to each other by applied heat and pressure while the electrode assembly 200 is embedded therein.
  • the inner resin layer may include casted polypropylene (CPP) or polypropylene (PP).
  • Concave accommodating parts 310R and 320R in which the electrode assembly 200 can be seated may be formed in each of the upper case 310 and the lower case 320 , and the electrode assembly 200 is provided with these accommodating parts 310R. , 320R) can be accommodated.
  • Sealing parts 310S and 320S may be provided along the outer periphery of each of the receiving parts 310R and 320R of the upper case 310 and the lower case 320 .
  • the upper sealing part 310S of the upper case 310 and the lower sealing part 320S of the lower case 320 may be bonded to each other, and the battery case 300 may be sealed. More specifically, the inner resin layer of the upper sealing part 310S and the inner resin layer of the lower sealing part 320S are partially melted by heat and pressure in a state in which they face each other, so that they can be bonded to each other.
  • a pouch case of a laminate sheet in which one side of the upper case and one side of the lower case are integrally formed is also applicable.
  • a pouch case having a plate-shaped structure in which an accommodating part is formed in only one of the upper case and the lower case and the accommodating part is not formed in the other is also applicable.
  • the lead film 600 according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 5 .
  • any one of the two electrode leads 400 and 500 will be described as a reference, but the structure of the lead film 600 according to this embodiment is also the other electrode lead 500 for the other electrode leads 500 . Of course, it can be formed.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing an enlarged portion "C" of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line B-B' of FIG. 2 .
  • the lead film 600 is formed to surround the electrode lead 400, such a lead film 600 is an outer layer 700 surrounding the electrode lead 400 and and an inner layer 800 positioned within the outer layer 700 .
  • the inner layer 800 is positioned inside the outer layer 700 , it may mean that the outer layer 700 is disposed to surround at least a portion of the outer surface of the inner layer 800 .
  • the lead film 600 may be positioned between the upper sealing part 310S of the upper case 310 and the lower sealing part 320S of the lower case 320 .
  • the lead film 600 may be positioned at a portion corresponding to a partial region of the upper sealing part 310S and the lower sealing part 320S. That is, in the area where the lead film 600 is not located, the inner resin layer of the upper sealing part 310S and the inner resin layer of the lower sealing part 320S face each other and are bonded, but in the area where the lead film 600 is located, Each of the inner resin layer of the upper sealing part 310S and the inner resin layer of the lower sealing part 320S may be bonded to the outer layer 700 of the lead film 600 .
  • the outer layer 700 according to the present embodiment is for increasing adhesion and sealing properties
  • outer layer 700 together with the inner layer 800 may serve to facilitate the discharge of gas generated inside the secondary battery.
  • the gas permeability of the outer layer 700 may be 4 to 40 barrer, or 5 to 20 barrer, or 4 to 12 barrer at 60°C.
  • the carbon dioxide permeability of the outer layer 700 may satisfy the above-described range.
  • the gas permeability may satisfy the above-described range at 60° C. based on the thickness of the outer layer 700 of 200 ⁇ m. When the gas permeability of the outer layer 700 satisfies the above-described range, it may be more effective to discharge the gas generated inside the secondary battery.
  • the gas permeability can be measured by the following method. Prepare two types of secondary batteries equipped with a gas pipe through which gas can be injected from the outside. In one type, the battery is completely sealed except for the gas pipe, and in the other type, a hole is made and the battery is sealed with the outer or inner layer attached thereto. Thereafter, after gas is injected from the outside through a gas pipe, a difference in internal pressure change between the battery without the outer layer or the inner layer and the battery with the outer layer or the inner layer is measured. In this case, the gas permeability of the outer layer or the inner layer may be measured through the correlation between the pressure change and the gas injection amount.
  • the gas injected from the outside may be, for example, carbon dioxide.
  • the moisture penetration amount of the outer layer 700 may be 0.02 to 0.2 g, or 0.02 to 0.04 g, or 0.06 g or 0.15 g for 10 years at 25° C. and 50 %RH.
  • the moisture penetration amount may be 0.06 g to 0.15 g.
  • the moisture penetration amount of the outer layer 700 satisfies the above-described range, it may be more effective to prevent penetration of moisture flowing in from the outer layer 700 .
  • the outer layer 700 may have a gas permeability (permeability) of 4 to 40 barrer at 60 °C and a moisture penetration amount of 0.02 to 0.2 g at 25 °C and 50 %RH for 10 years.
  • gas permeability and moisture penetration amount of the outer layer 700 satisfy the above-described ranges, it may be more effective to prevent moisture penetration from the outside while discharging the gas generated inside the secondary battery.
  • the moisture penetration amount of the outer layer can be measured by adopting the ASTM F 1249 method. At this time, it can be measured using equipment officially certified by MCOON.
  • the outer layer 700 may include a polyolefin-based resin.
  • the outer layer 700 may include a polyolefin-based resin satisfying the above-described gas permeability and/or water permeation value.
  • the polyolefin-based resin may include at least one material selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polyvinyldifluoride (PVDF).
  • PVDF polyvinyldifluoride
  • the thickness (H) of the outer layer 700 positioned between the inner layer 800 and the battery case 300 is 100 to 300 ⁇ m, or 100 to 200 ⁇ m. can When the thickness of the outer layer 700 satisfies the above-described range, the gas inside the battery case 300 may be more easily discharged to the outside.
  • the inner layer 800 is for gas discharge, and the inner layer 800 includes a material having a relatively high degree of air permeability, that is, gas permeation, compared to the outer layer 700 rather than the outer layer 700. Accordingly, gas generated inside during charging and discharging may be discharged to the outside through the inner layer 800 .
  • Higher air permeability may mean that when the gas having a predetermined pressure is transmitted in one direction, the amount of the transmitted gas is relatively larger.
  • the inner layer 800 may include a material that is more porous than the outer layer 700 . That is, the inner layer 800 may include a material having a higher ratio of pores per unit volume than the outer layer 700 .
  • the gas permeability of the inner layer 800 may be 1.6 e 5 to 1.6 e 7 barrer, or 1 e 6 to 3 e 6 barrer.
  • the carbon dioxide permeability of the inner layer 800 may satisfy the above-described range.
  • the inner layer 800 is a polyolefin-based resin, a fluorine-based resin, a natural material, a glass fiber (glass fiber), a ceramic fiber (ceramic fiber), and a group consisting of a metal fiber (metal fiber) It may include one or more materials selected from.
  • the inner layer 800 is made of polyolefin-based resin, fluorine-based resin, natural material, glass fiber, ceramic fiber, and metal fiber that satisfy the gas permeability value described above. It may include one or more materials selected from the group consisting of.
  • the polyolefin-based resin may include at least one material selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polyvinyldifluoride (PVDF).
  • the fluorine-based resin may include at least one material selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride, and the natural material is selected from the group consisting of cotton and wool. It may include one or more materials.
  • the inner layer 800 may have a thickness of 50 to 150 ⁇ m, or 50 to 100 ⁇ m.
  • the gas inside the battery case 300 may be more easily discharged to the outside.
  • the inner layer 800 may be disposed inside the outer layer 700 . More specifically, the inner layer 800 may be surrounded by the outer layer 700 in the x-axis direction or the z-axis direction perpendicular to the protrusion direction of the electrode lead 400 .
  • the outer layer 700 with high sealing properties and providing the inner layer 800 with high air permeability therein, the penetration of moisture or foreign substances from the outside of the battery case 300 into the inside of the battery case 300 is reduced and at the same time. Gas generated inside the battery case 300 can be effectively discharged. That is, the gas generated inside the battery case 300 may be discharged through the inner layer 800 formed therein while increasing the sealing property due to the outer layer 700 formed on the outside. As shown in FIG. 4 , the gas generated inside the battery case 300 may be discharged to the outside of the battery case 300 through the inner layer 800 .
  • the lead film 600 has an upper sealing part 310S and a lower sealing part 320S. ), the lead film 600 may be exposed in each of the inside and outside of the battery case 300 .
  • the outer layer 700 also has a certain degree of air permeability, so the gas generated from the inside of the battery case 300 through the inner layer 800 as well as the outer layer 700 is discharged to the outside of the battery case 300. can be emitted.
  • the area in which the lead film 600 is exposed from the outside of the battery case 300 may be the same as the area in which the lead film 600 is exposed from the inside of the battery case 300 . In another embodiment of the present invention, the area in which the lead film 600 is exposed from the outside of the battery case 300 may be larger than the area in which the lead film 600 is exposed from the inside of the battery case 300 .
  • the gas discharge is proportional to the gas discharge area and pressure. Since the pressure inside the battery case 300 is greater than the pressure outside the battery case 300 , the area in which the lead film 600 is exposed from the outside of the battery case 300 . When the lead film 600 is larger than an area exposed from the inside of the battery case 300 , the gas generated inside the battery case 300 may be more easily discharged to the outside.
  • the area in which the lead film 600 is exposed from the outside of the battery case 300 may be 40 to 80 mm 2 .
  • This is a size in which about 0.5 to 3 cc of gas can be discharged per day based on an internal pressure of 1 atm at 60°C.
  • the moisture penetration amount is a size that can be 0.02 to 0.2 g for 10 years at 25 °C, 50 %RH.
  • the lead film 600 may have a wider width than the electrode lead 400 and a shorter length than the electrode lead 400 . Accordingly, the lead film 600 may prevent the side surface of the electrode lead 400 from being exposed to the outside without interfering with the electrical connection of the electrode lead 400 .
  • the gas discharge effect may be increased. Accordingly, the gas inside the battery case 300 may be discharged to the outside of the battery case 300 in the y-axis direction through one end 800E1 of the inner layer 800 .
  • the outer layer 700 also has a certain degree of air permeability, and the gas inside the battery case 300 diffused into the inner layer 800 is discharged in the Z-axis direction through the outer layer 700 . It might be For example, the gas inside the battery may be discharged along the Z-axis direction through the outer layer 700 exposed to the outside of the battery case 300 .
  • the other end 800E2 of the inner layer 800 may be formed to be surrounded by the outer layer 700 .
  • One end 800E1 and the other end 800E2 of the inner layer 800 may be opposite ends facing each other.
  • the inner layer 800 for gas permeation may react with the electrolyte inside the battery case 300 to affect internal components and adversely affect battery performance. Therefore, in this embodiment, by configuring the inner layer 800 not to be directly exposed inside the battery case 300, compared to simply arranging the gas permeable layer as a layer, it is possible to guide the gas discharge while protecting the internal components.
  • the other end 800E2 of the inner layer 800 is formed by the outer layer 700 as in this embodiment. It is preferable to configure it so that it is wrapped.
  • the lead film 600a according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 6 and 7 . However, descriptions of parts overlapping with the above description will be omitted.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • 7 is a partial cross-sectional view showing an enlarged portion "D" of FIG.
  • FIG. 6 corresponds to a cross-section cut along the yz plane in FIG. 2 , like the cross-section of FIG. 3 .
  • the lead film 600a according to another embodiment of the present invention includes an adhesive outer layer 700a and a breathable inner layer 800a.
  • one end 800E1a of the inner layer 800a is exposed outside of the battery case 300 , and the other end 800E2a of the inner layer 800a inside the battery case 300 is connected to the battery case.
  • One end 800E1a and the other end 800E2a of the inner layer 800a may be opposite ends facing each other. That is, by exposing both end portions 800E1a and 800E2a facing each other, the gas discharging effect may be enhanced.
  • the inner layer 800a preferably includes a material that is stable in the electrolyte environment, that is, does not react with the electrolyte inside the battery case 300 .
  • it may include one or more materials selected from the group consisting of polypropylene, polyvinyldifluoride (PVDF), and polytetrafluoroethylene.
  • the lead film 600b according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 8 . However, descriptions of parts overlapping with those described above will be omitted.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 corresponds to a cross-section cut along the yz plane, like the cross-section of FIG. 4 .
  • the lead film 600b according to another embodiment of the present invention includes an adhesive outer layer 700b and a breathable inner layer 800b.
  • one end 800E1b of the inner layer 800b is formed to be surrounded by the outer layer 700b from the outside of the battery case 300 , and the other end 800E2b of the inner layer 800b is formed inside the battery case 300 .
  • the gas generated inside the battery case 300 sequentially passes through the inner layer 800b and the outer layer 700b along the Z-axis direction. can be discharged
  • the gas generated inside the battery case 300 is sequentially applied to the inner layer 800b and the outer layer 700b exposed to the outside of the battery case 300 . It can be discharged along the Z-axis direction.
  • One end 800E1b and the other end 800E2b of the inner layer 800b may be opposite ends facing each other.
  • the inner layer 800b is not directly exposed from the outside of the battery case 300, so that the possibility of penetration of external components can be reduced compared to the case where the gas permeable layer is simply arranged as a layer.
  • the gas discharge effect may be supplemented by forming the other end 800E2b of the inner layer 800b to be exposed to the space inside the battery case 300 .
  • the inner layer 800b preferably includes a material that is stable in the electrolyte environment, that is, does not react with the electrolyte inside the battery case 300 .
  • it may include one or more materials selected from the group consisting of polypropylene, polyvinyldifluoride (PVDF), and polytetrafluoroethylene.
  • the electrode lead extension direction of the lead film 600b of the outer layer 700b surrounding one end of the inner layer 800b may be 2 mm or more, or 2 mm to 3 mm.
  • the lead film 600c according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 9 . However, descriptions of parts overlapping with those described above will be omitted.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 corresponds to a cross-section cut along the yz plane, like the cross-section of FIG. 4 .
  • the lead film 600c according to another embodiment of the present invention includes an adhesive outer layer 700c and a breathable inner layer 800c.
  • one end 800E1c of the inner layer 800c from the outside of the battery case 300 and the other end 800E2c of the inner layer 800c from the inside of the battery case 300 are both surrounded by the outer layer 700c. can be formed.
  • One end 800E1c and the other end 800E2c of the inner layer 800c may be opposite ends facing each other.
  • the inner layer 800c for gas permeation may react with the electrolyte inside the battery case 300 to affect internal components and adversely affect battery performance. Also, when the permeable inner layer 800c is exposed to an external environment, there may be a problem that external components penetrate into the battery case 300 .
  • the inner layer 800c focuses on reducing the risk of reacting with the electrolyte inside the battery case 300 and reducing the possibility of penetration of external substances, the inner layer 800c ), both end portions 800E1c and 800E2c facing each other are configured to be wrapped around the outer layer 700c.
  • one end (800E1, 800E1a, 800E1b, 800E1c) of the lead film (600, 600a, 600b, 600c) is It may be located outside the outer surface of the battery case 300 .
  • the other ends 800E2 , 800E2a , 800E2b , and 800E2c of the lead films 600 , 600a , 600b , and 600c may be located on the inner side of the battery case 300 .
  • the lead films 600 , 600a , 600b , and 600c maximize the area of the inner layers 800 , 800a , 800b , and 800c , thereby effectively discharging the gas generated inside the battery case 300 .
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining a specific configuration of a lead film according to an embodiment of the present invention.
  • the lead film according to an embodiment of the present invention includes an adhesive outer layer 700 and a breathable inner layer 800 , as described above.
  • the outer layer 700 includes the upper outer layer 700U positioned between the upper sealing part 310S of the upper case 310 and the electrode lead 400 and the lower sealing part 320S of the lower case 320 and the electrode.
  • a lower outer layer 700L positioned between the leads 400 may be included.
  • the inner layer 800 may include an upper inner layer 800U surrounded by the upper outer layer 700U and a lower inner layer 800L surrounded by the lower outer layer 700L.
  • the upper outer layer 700U may include a first upper outer layer 710U and a second upper outer layer 720U, and the upper inner layer 800U includes the first upper outer layer 710U and the second upper outer layer. (720U).
  • the width d1 of the first upper outer layer 710U and the second upper outer layer 720U in a direction perpendicular to the protrusion direction of the electrode lead 400 (a direction parallel to the x-axis) is the upper inner layer 800U ) may be wider than the width d2.
  • the lower outer layer 700L may include a first lower outer layer 710L and a second lower outer layer 720L
  • the lower inner layer 800L includes the first lower outer layer 710L and the second lower outer layer. (720L).
  • the width of the first lower outer layer 710L and the second lower outer layer 720L with respect to the direction perpendicular to the protrusion direction of the electrode lead 400 (direction parallel to the x-axis) is lower It may be wider than the width of the inner layer 800L.
  • bonding between the first upper outer layer 710U, the upper inner layer 800U, the second upper outer layer 720U, the first lower outer layer 710L, the lower inner layer 800L, and the second lower outer layer 720L When performing bonding, heat and pressure are applied to the adjacent layers for bonding, then place the next layer and apply heat and pressure again to perform bonding. That is, the lead film according to the present embodiment can be manufactured by repeating the process of applying heat and pressure to each layer facing each other for all layers.
  • the first upper outer layer 710U, the second upper outer layer 720U, the first lower outer layer 710L, and the second lower outer layer 720L are bonded to form the outer layers 700 surrounding the electrode lead 400 .
  • a portion of the outer layer (700, 700a, 700b, 700c) between the inner layer (800, 800a, 800b, 800c) and one surface of the electrode lead (400) can be located That is, the inner layers 800 , 800a , 800b , and 800c may not be in direct contact with the electrode lead 400 .
  • the second upper outer layer 720U is disposed between the upper inner layer 800U and the electrode lead 400
  • the first lower outer layer 710L is the lower inner layer 800L and the electrode lead. This is because it is placed between (400).
  • the first upper outer layer 710U, the second upper outer layer 720U, and the first lower outer layer is located inside the outer layer 700 by designing the width d1 of the 710L and the second lower outer layer 720L to be wider than the width d2 of the upper inner layer 800U and the lower inner layer 800L. can be formed to
  • the lead film according to the present embodiment may be exposed on the inside and the outside of the battery case 300, respectively.
  • FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing the shape of each lead film according to Comparative Examples of the present invention.
  • the electrode lead 40 protrudes to the outside via between the upper sealing part 310S and the lower sealing part 320S, and the upper sealing part 310S and the lower sealing part Between the 320S, the lead film 70 surrounds the electrode lead 40 .
  • a gas transmission layer 80 for gas transmission may be formed on one surface of the electrode lead 40 , and the gas transmission layer 80 may be a metal transmission layer including a metal or an alloy material. Since the lead film 70 contains a polymer resin for electrical insulation and sealing, the gas permeable layer 80 including a metal or alloy material may have a problem in bonding with the lead film 70, which is a secondary battery It may be a factor impairing the sealing performance of
  • the lead film 600 according to the present embodiment, the lead films 600, 600a, 600b, and 600c have relatively high air permeability. Since the inner layers 800 , 800a , 800b , and 800c are arranged inside the outer layers 700 , 700a , 700b and 700c, a path for discharging the gas inside the battery case 300 is provided without a problem of deterioration in sealing properties. have the advantage of being able to
  • the lead films 600, 600a, 600b, and 600c have inner layers 800, 800a, 800b, and 800c having an outer layer. (700, 700a, 700b, 700c) is disposed inside, the outer surface of the inner layer (800, 800a, 800b, 800c) and the inner surface of the outer layer (700, 700a, 700b, 700c) may be bonded to each other.
  • the adhesion means that the outer layers 700, 700a, 700b, 700c and the inner layers 800, 800a, 800b, and 800c are welded to each other by applied heat or pressure, or a separate adhesive is interposed to cover both. do.
  • the inner layers 800 , 800a , 800b , and 800c are bonded to the outer layers 700 , 700a , 700b and 700c while including a material having relatively high air permeability, they can serve as a kind of physical support. That is, the inner layers 800 , 800a , 800b , and 800c according to the present embodiment function as a passage for discharging gas, and serve to complement the durability and rigidity of the lead films 600 , 600a , 600b and 600c. have. Accordingly, as in the comparative example, there is an advantage in that the lead film is expanded in the upper and lower directions to prevent a problem that a part is stretched.
  • FIGS. 12 and 13 a lead film according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12 and 13 .
  • 12 and 13 are partial cross-sectional views showing the shape of the lead film according to other embodiments of the present invention, respectively.
  • lead films 600 ′ and 600 ′′ may include outer layers 700 ′ and 700 ′′ and inner layers 800 ′ and 800 ′′. Specific descriptions of the outer layers 700 ′ and 700 ′′ and the inner layers 800 ′ and 800 ′′ are omitted because they overlap with those described above.
  • the inner layers 800 ′ and 800 ′′ according to the present embodiments may be in contact with one surface of the electrode lead 400 .
  • the upper inner layers 800 ′ and 800 ′′ may be in contact with the upper surface of the electrode lead 400
  • the lower inner layers 800 ′ and 800 ′′ may be in contact with the lower surface of the electrode lead 400 .
  • a portion of the outer layer is not positioned between the inner layers 800 and 800 ′ and the electrode lead 400 .
  • FIG. 12 shows a form in which one end 800E1' of the inner layer 800' is opened and the other end 800E2' is surrounded by the outer layer 700'
  • FIG. 13 is one end of the inner layer 800 ′′. (800E1′′) is surrounded by the outer layer (700′′) and the other end (800E2′′) is open.
  • a form in which one end and the other end of the inner layer are both open or all covered by the outer layer is possible.
  • the lead films 600 ′ and 600 ′′ shown in FIGS. 12 and 13 may be manufactured. That is, since the lead films 600' and 600" having the inner layers 800' and 800" in contact with one surface of the electrode lead 400, the number of layers required for thermal welding in the manufacturing process is reduced, so heat The welding step is partially reduced. Therefore, there is an advantage in the manufacturing process and also has the effect of cost reduction.
  • a plurality of secondary batteries according to the present embodiment described above may be gathered to form a battery module.
  • a battery module may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a cooling system to form a battery pack.
  • the secondary battery, the battery module, or the battery pack may be applied to various devices. Specifically, it may be applied to transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, a hybrid, etc., but is not limited thereto, and may be applied to various devices that can use a secondary battery.

Landscapes

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극시트들과 상기 전극시트들 사이에 위치한 분리막을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되는 파우치형의 전지 케이스; 상기 전극 조립체와 연결되고 상기 전지 케이스의 외측으로 돌출되는 전극리드; 및 상기 전극리드를 감싸고, 상기 전극 리드와 상기 전지 케이스 사이에 개재되는 리드 필름을 포함한다. 상기 리드 필름은, 상기 전극리드를 감싸는 외층 및 상기 외층 내부에 위치한 내층을 포함하고, 상기 내층은 상기 외층보다 통기도가 높은 소재를 포함한다.

Description

이차전지 및 이를 포함하는 전지 모듈
본 출원은 2020년 12월 8일에 출원된 한국특허출원 제10-2020-0170441호 및 2021년 11월 2일에 출원된 한국특허출원 제10-2021-0148399호에 기초한 우선권을 주장한다.
본 발명은 이차전지 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 내부에서 발생한 가스의 배출이 가능한 이차전지 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤형 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는 상기 젤리롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위 셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형의 케이스에 내장된 원통형 이차전지, 전극 조립체가 각형의 케이스에 내장된 각형 이차전지 및 전극 조립체가 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류될 수 있다.
이차전지의 에너지 밀도가 증가함에 따라, 이차전지 내부에서 발생하는 가스의 양이 증대되고 있다. 특히, 파우치형 이차전지의 경우, 발생된 가스로 인해 내부 압력이 증가하여 파우치형 케이스의 용착 강도 한계치를 넘는 경우, 이차전지의 밀봉이 해제되면서 내부의 가스가 배출될 수 있다. 이 경우, 이차전지의 수명이 현격하게 줄어들기 때문에 해결책이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 내부에서 발생하는 가스를 효과적으로 배출할 수 있는 이차전지 및 이를 포함하는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예들의 이차전지가 제공된다.
제1 구현예는, 전극시트들과 상기 전극시트들 사이에 위치한 분리막을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되는 파우치형의 전지 케이스; 상기 전극 조립체와 연결되고 상기 전지 케이스의 외측으로 돌출되는 전극리드; 및 상기 전극리드를 감싸고, 상기 전극 리드와 상기 전지 케이스 사이에 개재되는 리드 필름을 포함한다. 상기 리드 필름은, 상기 전극리드를 감싸는 외층 및 상기 외층 내부에 위치한 내층을 포함하고, 상기 내층은 상기 외층보다 통기도가 높은 소재를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
제2 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 내층의 외면과 상기 외층의 내면은 서로 접착된 형태일 수 있다.
제3 구현예는, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,
상기 전지 케이스의 외측에서, 상기 내층의 일 단부가 외부로 노출될 수 있고, 상기 전지 케이스의 내부에서, 상기 내층의 타 단부가 상기 외층에 의해 감싸질 수 있다.
제4 구현예는, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,
상기 전지 케이스의 외측에서, 상기 내층의 일 단부가 외부로 노출될 수 있고, 상기 전지 케이스의 내부에서, 상기 내층의 타 단부가 상기 전지 케이스의 내부의 공간에 노출될 수 있다.
제5 구현예는, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,
상기 전지 케이스의 외측에서, 상기 내층의 일 단부가 상기 외층에 의해 감싸질 수 있고, 상기 전지 케이스의 내부에서, 상기 내층의 타 단부가 상기 전지 케이스의 내부의 공간에 노출될 수 있다.
제6 구현예는, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,
상기 전지 케이스의 외측에서, 상기 내층의 일 단부가 상기 외층에 의해 감싸질 수 있고, 상기 전지 케이스의 내부에서, 상기 내층의 타 단부가 상기 외층에 의해 감싸질 수 있다.
제7 구현예는, 제5 구현예 또는 제6 구현예에 있어서,
상기 전지 케이스의 외측에서, 상기 내층의 일 단부를 감싸는 외층의 리드 필름의 전극 리드 연장 방향의 폭은 2 mm 이상일 수 있다.
제8 구현예는, 제1 구현예 내지 제7 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 내층과 상기 전지 케이스 사이의 외층의 두께가 100 내지 300 ㎛일 수 있다.
제9 구현예는, 제1 구현예 내지 제8 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 내층의 두께가 50 내지 150 ㎛일 수 있다.
제10 구현예는, 제1 구현예 내지 제9 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 외층의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 4 내지 40 barrer일 수 있다.
제11 구현예는, 제1 구현예 내지 제10 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 외층의 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 0.02 내지 0.2 g일 수 있다.
제12 구현예는, 제1 구현예 내지 제11 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 내층의 가스 투과도(permeability)가 1.6 e5 내지 1.6 e7 barrer일 수 있다.
제13 구현예는, 제1 구현예 내지 제12 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 외층은 폴리올레핀(Polyolefin)계 수지를 포함할 수 있다. 상기 폴리올레핀계 수지는, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다.
제14 구현예는, 제1 구현예 내지 제13 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 내층은, 폴리올레핀(Polyolefin)계 수지, 불소계 수지, 천연 소재, 유리 섬유(glass fiber), 세라믹 섬유(ceramic fiber) 및 금속 섬유(metal fiber)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다.
제15 구현예는, 제14 구현예에 있어서,
상기 폴리올레핀계 수지는, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다. 상기 불소계 수지는, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 및 폴리비닐리덴 플로라이드(Polyvinylidene fluoride)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다. 상기 천연 소재는 cotton 및 wool으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다.
제16 구현예는, 제1 구현예 내지 제15 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 내층과 상기 전극리드의 일면 사이에 상기 외층의 일부분이 위치하는 형태일 수 있다.
제17 구현예는, 제1 구현예 내지 제16 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 전지 케이스는, 상부 케이스 및 하부 케이스를 포함할 수 있다. 상기 상부 케이스의 상부 실링부와 상기 하부 케이스의 하부 실링부가 서로 접합될 수 있다. 상기 리드 필름은 상기 상부 실링부와 상기 하부 실링부 사이에 위치할 수 있다.
제18 구현예는, 제17 구현예에 있어서,
상기 전극리드의 돌출 방향에 대해, 상기 리드 필름이 상기 상부 실링부 및 상기 하부 실링부보다 길게 형성되어, 상기 전지 케이스의 내부와 외측 각각에서 상기 리드 필름이 노출될 수 있다.
제19 구현예는, 제18 구현예에 있어서,
상기 리드 필름이 상기 전지 케이스의 외측에서 노출되는 면적이 상기 리드 필름이 상기 전지 케이스의 내측에서 노출되는 면적과 동일할 수 있다.
제20 구현예는, 제18 구현예에 있어서,
상기 리드 필름이 상기 전지 케이스의 외측에서 노출되는 면적이 상기 리드 필름이 상기 전지 케이스의 내측에서 노출되는 면적보다 클 수 있다.
제21 구현예는, 제17 구현예 내지 제20 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 외층은, 상기 상부 실링부와 상기 전극리드 사이에 위치한 상부 외층 및 상기 하부 실링부와 상기 전극리드 사이에 위치한 하부 외층을 포함할 수 있다.
제22 구현예는, 제21 구현예에 있어서,
상기 내층은, 상기 상부 외층에 의해 감싸진 상부 내층 및 상기 하부 외층에 의해 감싸진 하부 내층을 포함할 수 있다.
제23 구현예는, 제22 구현예에 있어서,
상기 상부 외층은, 제1 상부 외층 및 제2 상부 외층을 포함할 수 있고, 상기 상부 내층은, 상기 제1 상부 외층 및 상기 제2 상부 외층 사이에 위치할 수 있다.
제24 구현예는, 제22 구현예 또는 제23 구현예에 있어서,
상기 하부 외층은, 제1 하부 외층 및 제2 하부 외층을 포함할 수 있고, 상기 하부 내층은, 상기 제1 하부 외층 및 상기 제2 하부 외층 사이에 위치할 수 있다.
제25 구현예는, 제1 구현예 내지 제24 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 내층은, 상기 전극리드의 일면에 접촉되는 형태일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예의 전지 모듈이 제공된다.
제26 구현예는,
제1 구현예에 따른 이차전지를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 높은 통기성을 갖는 리드 필름을 전극리드 인근에 마련함으로써, 이차전지의 내부에서 발생하는 가스를 효과적으로 배출할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차전지가 밀봉된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 절단선 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 3의 “C”부분을 확대하여 나타낸 부분 단면도이다.
도 5는 도 2의 절단선 B-B'를 따라 자른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 단면도이다.
도 7은 도 6의 “D”부분을 확대하여 나타낸 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 리드 필름의 구체적 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 11은 본 발명의 비교예에 따른 리드 필름의 형태를 나타낸 부분 단면도이다.
도 12와 도 13은 각각 본 발명의 다른 실시예들에 따른 리드 필름의 형태를 나타낸 부분 단면도이다.
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 나타냈기 때문에, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
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.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 이차전지가 밀봉된 모습을 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 2의 절단선 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는, 전극시트(210, 220)들과 전극시트(210, 220)들 사이에 위치한 분리막(230)을 포함하는 전극 조립체(200); 전극 조립체(200)가 수납되는 파우치형의 전지 케이스(300); 전극 조립체(200)와 연결되고 전지 케이스의 외측으로 돌출되는 전극리드(400, 500); 및 전극리드(400, 500)를 감싸고, 상기 전극리드(400, 500)과 상기 전지 케이스(300) 사이에 개재되는 리드 필름(600)을 포함한다.
우선, 전극 조립체(200)는, 전극탭(210t)이 형성된 전극시트(210, 220)들 및 전극시트(210, 220)들 사이에 위치한 분리막(230)을 포함한다. 특히, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200)는, 스택형 전극 조립체, 젤리롤형 전극 조립체 또는 스택/폴딩형 전극 조립체일 수 있다. 도 3에는 일례로 스택형 전극 조립체가 도시되어 있다. 구체적으로, 스택형 전극 조립체는, 다수의 전극시트(210, 220)들이 분리막(230)을 사이에 두고 적층된 구조일 수 있다.
각 전극시트(210, 220)는 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포되어 형성될 수 있으며, 상기 전극 집전체의 일부가 돌출되어 전극탭(210t)이 마련될 수 있다. 전극시트(210, 220)는 양극시트와 음극 시트로 구분될 수 있으며, 양극시트와 음극시트 사이에 분리막(230)이 개재될 수 있다. 일례로, 어느 한 전극시트(210)가 양극시트일 수 있으며, 그로부터 돌출된 전극탭(210t)은 양극탭일 수 있다. 다른 전극시트(220)는 음극시트일 수 있고, 그로부터 돌출된 전극탭(미도시)는 음극탭일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전극탭은 전극리드와 연결될 수 있다. 일례로, 어느 한 극성의 전극탭(210t)들이 어느 하나의 전극리드(400)에 접합될 수 있고, 다른 극성의 전극탭(미도시)들이 다른 전극리드(500)에 접합될 수 있다. 이러한 전극리드(400, 500)는 전지 케이스(300)의 양 단부로부터 돌출될 수 있다. 도 1 및 도 2에는 2개의 전극리드(400, 500)가 서로 대향하는 방향으로 돌출되는 것으로 나타나 있으나, 돌출되는 방향에 특별한 제한은 없다. 즉, 이차전지(100)의 일측으로부터 서로 같은 방향으로 2개의 전극리드(400, 500)가 돌출되는 구조도 가능하다. 2개의 전극리드(400, 500) 중 하나는 양극리드일 수 있고, 다른 하나는 음극리드일 수 있다. 일례로, 도 3에 도시된 전극탭(210t)이 양극탭이라면, 그와 연결된 전극리드(400)는 양극리드이다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 케이스(300)는 파우치형 케이스이다. 이러한 전지 케이스(300)는, 서로 접합되는 상부 케이스(310) 및 하부 케이스(320)를 포함할 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 상부 케이스(310)와 하부 케이스(320)를 포함하는 전지 케이스(300)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트일 수 있다. 구체적으로, 상부 케이스(310)와 하부 케이스(320) 각각은 밀봉을 위한 내측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 금속층 및 가장 바깥쪽의 외측 수지층을 포함할 수 있다.
상기 외측 수지층은 외부로부터 파우치형 이차전지(100)를 보호하기 위해 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성을 갖고 전기적 절연성을 띌 수 있다. 이러한 외측 수지층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET) 수지 또는 나일론(nylon) 수지를 포함할 수 있다. 상기 금속층은 공기, 습기 등이 파우치형 이차전지(100) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 금속층은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 상기 내측 수지층은, 전극 조립체(200)를 내장한 상태에서, 인가된 열과 압력에 의해 서로 접합될 수 있다. 이러한 내측 수지층은 무연신 폴리프로필렌(Casted PolyPropylene, CPP) 또는 폴리프로필렌(PolyPropylene, PP)를 포함할 수 있다.
상부 케이스(310)와 하부 케이스(320) 각각에 전극 조립체(200)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(310R, 320R)가 형성될 수 있고, 전극 조립체(200)가 이러한 수납부(310R, 320R)에 수납될 수 있다. 수납부(310R, 320R)를 형성하는 방법에 특별한 제한은 없으며, 가압하는 펀치를 이용한 딥 드로잉 방식이 적용될 수 있다.
상부 케이스(310)와 하부 케이스(320) 각각의 수납부(310R, 320R)의 바깥둘레를 따라 실링부(310S, 320S)가 마련될 수 있다. 상부 케이스(310)의 상부 실링부(310S)와 하부 케이스(320)의 하부 실링부(320S)가 서로 접합되어, 전지 케이스(300)가 밀봉될 수 있다. 보다 구체적으로는, 상부 실링부(310S)의 내측 수지층과 하부 실링부(320S)의 내측 수지층이 서로 대면한 상태에서 열과 압력에 의해 일부가 녹아, 서로 접합될 수 있다. 즉, 본 명세서 상에서 상부 실링부(310S)와 하부 실링부(320S)간의 접합이나, 상부 실링부(310S), 하부 실링부(320S)와 후술할 리드 필름(600)간의 접합은, 열과 압력을 인가하여, 각 수지층을 접합시키는 열용착에 해당할 수 있다.
한편, 도 1에는 수납부가 형성되고, 서로 분리된 상부 케이스(310)와 하부 케이스(320)를 도시하였으나, 상부 케이스의 일변과 하부 케이스의 일변이 일체로 형성된 라미네이트 시트의 파우치 케이스도 적용 가능하고, 또 상부 케이스와 하부 케이스 중 어느 하나에만 수납부가 형성되고 다른 하나는 수납부가 형성되지 않는 판상형 구조의 파우치 케이스도 적용 가능하다.
이하에서는, 도 3 내지 도 5를 참고하여, 본 실시예에 따른 리드 필름(600)에 대해 자세히 설명하도록 한다. 설명의 반복을 피하기 위해 2개의 전극리드(400, 500) 중 어느 하나의 전극리드(400)를 기준으로 설명하나, 다른 전극리드(500)에도 본 실시예에 따른 리드 필름(600)의 구조가 형성될 수 있음은 물론이다.
도 4는 도 3의 “C”부분을 확대하여 나타낸 부분 단면도이다. 도 5는 도 2의 절단선 B-B'를 따라 자른 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 리드 필름(600)은 전극리드(400)를 감싸도록 형성되는데, 이러한 리드 필름(600)은 전극리드(400)를 감싸는 외층(700) 및 외층(700) 내부에 위치한 내층(800)을 포함한다. 내층(800)이 외층(700)의 내부에 위치하고 있다는 것은, 외층(700)이 내층(800)의 외면의 적어도 일부를 감싸는 형태로 배치되는 것을 의미할 수 있다.
또한, 리드 필름(600)은 상부 케이스(310)의 상부 실링부(310S)와 하부 케이스(320)의 하부 실링부(320S) 사이에 위치할 수 있다. 리드 필름(600)은, 상부 실링부(310S)와 하부 실링부(320S)의 일부 영역과 대응하는 부분에 위치할 수 있다. 즉, 리드 필름(600)이 없는 영역에서는, 상부 실링부(310S)의 내측 수지층과 하부 실링부(320S)의 내측 수지층이 서로 대면하여 접합되나, 리드 필름(600)이 위치한 영역에서는, 상부 실링부(310S)의 내측 수지층과 하부 실링부(320S)의 내측 수지층 각각이 리드 필름(600)의 외층(700)과 접합될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 외층(700)은, 접착성 및 밀봉성 증대를 위한 것으로,
전극리드(400, 500)와 전지 케이스(300)의 금속층 사이에서 단락이 발생되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 파우치형 전지 케이스(300)의 밀봉성을 향상시킬 수 있다. 금속 재질의 전극리드(400, 500)가 상부 실링부(310S)의 내측 수지층이나 하부 실링부(320S)의 내측 수지층과 접촉 시, 접촉 저항이 다소 커 표면 밀착력이 저하될 수 있다. 하지만, 본 실시예와 같이, 외층(700)이 구비되면, 이러한 밀착력 저하 현상이 방지될 수 있다. 또한, 외층(700)은 절연성을 띄기 때문에 전극리드(400, 500)에서 파우치형 전지 케이스(300)의 금속층으로 전류가 인가되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 외층(700)은 내층(800)과 함께 이차전지의 내부에서 발생하는 가스 배출을 용이하게 하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 외층(700)의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 4 내지 40 barrer, 또는 5 내지 20 barrer, 또는 4 내지 12 barrer일 수 있다. 예컨대, 상기 외층(700)의 이산화탄소 투과도가 전술한 범위를 만족할 수 있다. 또한, 외층(700)의 두께 200 ㎛ 기준으로 가스 투과도가 60℃에서 전술한 범위를 만족할 수 있다. 상기 외층(700)의 가스 투과도가 전술한 범위를 만족하는 경우, 이차전지의 내부에서 발생하는 가스가 배출되기 더욱 효과적일 수 있다.
본 명세서에서, 가스 투과도는 다음의 방법으로 측정할 수 있다. 외부에서 가스를 주입할 수 있는 가스관이 설치된 이차전지를 두 종류 준비한다. 한 종류는 가스관을 제외하고 전지가 완벽히 밀봉된 상태이며, 다른 한 종류는 구멍을 만들고 상기 외층 또는 내층을 부착한 상태로 전지를 밀봉한다. 이후, 가스관을 통해 외부에서 가스를 주입한 후에 외층 또는 내층이 구비되지 않은 전지와 외층 또는 내층이 구비된 전지의 내부 압력 변화의 차를 측정한다. 이 때, 압력 변화와 가스 주입량의 상관 관계식을 통해 외층 또는 내층의 가스 투과도를 측정할 수 있다. 상기 외부에서 주입하는 가스는 예컨대 이산화탄소일 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 외층(700)의 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 0.02 내지 0.2 g, 또는 0.02 내지 0.04 g, 또는 0.06 g 또는 0.15 g일 수 있다. 예컨대, 상기 외층(700)으로 폴리프로필렌을 사용하는 경우, 수분 침투량이 0.06 g 내지 0.15 g일 수 있다. 상기 외층(700)의 수분 침투량이 전술한 범위를 만족하는 경우, 상기 외층(700)으로부터 유입되는 수분의 침투를 방지하기 더욱 효과적일 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 외층(700)이 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 4 내지 40 barrer이면서 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 0.02 내지 0.2 g일 수 있다. 상기 외층(700)의 가스 투과도 및 수분 침투량이 전술한 범위를 만족하는 경우, 이차전지의 내부에서 발생하는 가스를 배출하면서 외부로부터의 수분 침투를 방지하기 더욱 효과적일 수 있다.
상기 외층의 수분 침투량은 ASTM F 1249 방식을 채택하여 측정할 수 있다. 이 때, MCOON사에서 공식인증된 장비를 사용하여 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 외층(700)이 폴리올레핀(Polyolefin)계 수지를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 외층(700)이 전술한 가스 투과도 및/또는 수분 침투량 값을 만족하는 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있다. 상기 폴리올레핀계 수지는, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다. 상기 외층(700)이 폴리프로필렌을 포함하는 경우, 상기 외층(700)의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 4 내지 40 barrer이기 더욱 용이할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시양태에서, 상기 내층(800)과 전지 케이스(300) 사이에 위치하는 외층(700)의 두께(H)가 100 내지 300 ㎛, 또는 100 내지 200 ㎛일 수 있다. 상기 외층(700)의 두께가 전술한 범위를 만족하는 경우, 전지 케이스(300) 내부의 가스가 외부로 배출되기 더욱 용이할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 내층(800)은, 가스 배출을 위한 것으로, 내층(800)은 외층(700)보다 외층(700)에 비해 상대적으로 통기도, 즉 가스 투과의 정도가 높은 소재를 포함할 수 있으며, 이에 따라 충, 방전 시 내부에서 발생하는 가스가 내층(800)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 통기도가 더 높다는 것은, 소정의 압력을 갖는 가스가 일 방향으로 투과될 때, 투과되는 가스의 양이 상대적으로 더 많은 것을 의미할 수 있다. 일례로, 내층(800)은, 외층(700)에 비해 다공성인 소재를 포함할 수 있다. 즉, 내층(800)는 외층(700)보다 단위 부피당 기공의 비율이 높은 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 내층(800)의 가스 투과도(permeability)가 1.6 e5 내지 1.6 e7 barrer, 또는 1 e6 내지 3 e6 barrer일 수 있다. 예컨대, 상기 내층(800)의 이산화탄소 투과도가 전술한 범위를 만족할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 내층(800)은 폴리올레핀(Polyolefin)계 수지, 불소계 수지, 천연 소재, 유리 섬유(glass fiber), 세라믹 섬유(ceramic fiber) 및 금속 섬유(metal fiber)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 내층(800)은 전술한 가스 투과도 값을 만족하는 폴리올레핀(Polyolefin)계 수지, 불소계 수지, 천연 소재, 유리 섬유(glass fiber), 세라믹 섬유(ceramic fiber) 및 금속 섬유(metal fiber)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다. 상기 폴리올레핀계 수지는, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다. 상기 불소계 수지는, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 및 폴리비닐리덴 플로라이드(Polyvinylidene fluoride)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있으며, 상기 천연 소재는 cotton 및 wool으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 내층(800)의 두께가 50 내지 150 ㎛, 또는 50 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 내층(800)의 두께가 전술한 범위를 만족하는 경우, 전지 케이스(300) 내부의 가스가 외부로 배출되기 더욱 용이할 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 내층(800)은 외층(700)의 내부에 배치된 형태로 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 전극리드(400)의 돌출 방향과 수직한 x축 방향이나 z축 방향에 대해 내층(800)이 외층(700)에 의해 둘러싸인 형태일 수 있다. 밀봉성이 높은 외층(700)을 마련하고, 그 내부에 통기성이 높은 내층(800)을 마련함으로써, 전지 케이스(300) 외부의 수분이나 이물이 전지 케이스(300) 내부로 침투하는 것을 줄임과 동시에 전지 케이스(300) 내부에서 발생한 가스를 효과적으로 배출할 수 있다. 즉, 외부에 형성된 외층(700)으로 인해 밀봉성을 높이면서, 내부에 형성된 내층(800)을 통해 전지 케이스(300) 내부에서 발생한 가스를 배출할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 내층(800)을 통해 전지 케이스(300) 내부에서 발생한 가스가 전지 케이스(300) 외부로 배출될 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 전극리드(400)의 돌출 방향(y축과 평행한 방향)에 대해, 리드 필름(600)이 상부 실링부(310S) 및 하부 실링부(320S)보다 길게 형성되어, 전지 케이스(300)의 내부와 외측 각각에서 리드 필름(600)이 노출될 수 있다. 내층(800)만큼은 아니나, 외층(700)도 어느 정도의 통기성을 갖추고 있는 바, 내층(800)뿐만 아니라 외층(700)을 통해서도 전지 케이스(300) 내부에서 발생한 가스가 전지 케이스(300) 외부로 배출될 수 있다.
전지 케이스(300)의 내부와 외측 각각에서의 리드 필름(600)이 노출되는 면적을 조절함으로써, 가스 배출량을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 리드 필름(600)이 전지 케이스(300)의 외측에서 노출되는 면적이 리드 필름(600)이 전지 케이스(300)의 내측에서 노출되는 면적과 동일할 수 있다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 리드 필름(600)이 전지 케이스(300)의 외측에서 노출되는 면적이 리드 필름(600)이 전지 케이스(300)의 내측에서 노출되는 면적보다 클 수 있다. 가스 배출량은 가스 배출 면적과 압력에 비례하는데, 전지 케이스(300) 내측의 압력이 전지 케이스(300) 외측의 압력보다 크므로, 리드 필름(600)이 전지 케이스(300)의 외측에서 노출되는 면적이 리드 필름(600)이 전지 케이스(300)의 내측에서 노출되는 면적보다 큰 경우 전지 케이스(300) 내부에서 발생한 가스가 외부로 배출되기 더욱 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 리드 필름(600)이 전지 케이스(300)의 외측에서 노출되는 면적이 40 내지 80 mm2일 수 있다. 이는 60℃에서 내부 압력 1 기압 기준으로, 가스가 하루에 약 0.5 내지 3 cc 배출될 수 있는 크기이다. 또한, 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 0.02 내지 0.2 g일 수 있는 크기이다.
한편, 리드 필름(600)은, 전극리드(400)보다 넓은 폭을 갖고, 전극리드(400)보다 작은 길이를 가질 수 있다. 이에 따라, 리드 필름(600)은 전극리드(400)의 전기적 연결을 방해하지 않으면서도, 전극리드(400)의 측면이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 도 4를 참고하면, 전지 케이스(300)의 외측에서, 내층(800)의 일 단부(800E1)가 외부로 노출되도록 형성함으로써, 가스 배출 효과를 높일 수 있다. 이에 따라, 내층(800)의 일 단부(800E1)를 통해 전지 케이스(300) 내부의 가스가 y축 방향으로 전지 케이스(300) 외부로 배출될 수 있다. 또한, 내층(800)만큼은 아니나, 외층(700)도 어느 정도의 통기성을 갖추고 있는 바, 내층(800)으로 확산된 전지 케이스(300) 내부의 가스가 외층(700)을 통해 Z축 방향으로 배출될 수도 있다. 예컨대, 전지 케이스(300) 외부로 노출되는 외층(700)을 통해서 Z축 방향을 따라 전지 내부의 가스가 배출될 수 있다.
또한, 전지 케이스(300)의 내부에서, 내층(800)의 타 단부(800E2)가 외층(700)에 의해 감싸지도록 형성될 수 있다. 내층(800)의 일 단부(800E1)와 타 단부(800E2)는 서로 마주하는 양 단부일 수 있다. 내층(800)에 적용되는 소재에 따라, 가스 투과를 위한 내층(800)이 전지 케이스(300) 내부의 전해액과 반응하여 내부 구성품에 영향을 미치고 전지 성능에 악영향을 미칠 우려가 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 전지 케이스(300) 내부에서 내층(800)을 직접적으로 노출되지 않도록 구성하여, 단순히 가스 투과층을 층으로 배치하는 경우에 비해, 내부 구성품을 보호하면서도 가스 배출을 안내할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 내층(800)에 적용되는 소재가 전지 케이스(300) 내부의 전해액과 반응할 우려가 있는 경우, 본 실시예에서와 같이 내층(800)의 타 단부(800E2)가 외층(700)에 의해 감싸지도록 구성함이 바람직하다.
이하에서는, 도 6 및 도 7을 참고하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리드 필름(600a)에 대해 자세히 설명하도록 한다. 다만, 상술한 내용과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 단면도이다. 도 7은 도 6의 “D”부분을 확대하여 나타낸 부분 단면도이다. 이 때, 도 6은 도 3의 절단면과 같이, 도 2에서 yz 평면을 따라 자른 단면에 해당한다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리드 필름(600a)은, 접착성의 외층(700a) 및 통기성의 내층(800a)을 포함한다.
이 때, 전지 케이스(300)의 외측에서 내층(800a)의 일 단부(800E1a)가 외부로 노출되도록 형성하고, 전지 케이스(300)의 내부에서 내층(800a)의 타 단부(800E2a)가 전지 케이스(300)의 내부의 공간에 노출되도록 형성함으로써, 가스 배출 효과를 극대화할 수 있다. 내층(800a)의 일 단부(800E1a)와 타 단부(800E2a)는 서로 마주하는 양 단부일 수 있다. 즉, 마주하는 양 단부(800E1a, 800E2a)를 모두 노출시킴으로써, 가스 배출 효과를 높일 수 있다.
이때, 내층(800a)은 전해액 환경에서 안정한, 즉, 전지 케이스(300) 내부의 전해액과 반응하지 않는 소재를 포함하는 것이 바람직하다. 일례로, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 8을 참고하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리드 필름(600b)에 대해 자세히 설명하도록 한다. 다만, 상술한 내용과 중복되는 부분에 대해서는, 설명을 생략한다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 단면도이다. 도 8은 도 4의 절단면과 같이, yz 평면을 따라 자른 단면에 해당한다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리드 필름(600b)은, 접착성의 외층(700b) 및 통기성의 내층(800b)을 포함한다.
이 때, 전지 케이스(300)의 외측에서 내층(800b)의 일 단부(800E1b)가 외층(700b)에 의해 감싸지도록 형성되고, 전지 케이스(300)의 내부에서 내층(800b)의 타 단부(800E2b)가 전지 케이스(300)의 내부의 공간에 노출되도록 형성될 수 있다. 내층(800b)의 일 단부(800E1b)가 외층(700b)에 의해 감싸짐에 따라 전지 케이스(300) 내부에서 발생하는 가스가 내층(800b) 및 외층(700b)을 순차적으로 거쳐 Z축 방향을 따라 배출할 수 있다. 예컨대, 리드 필름(600)이 전지 케이스(300) 외부로 노출되는 경우, 전지 케이스(300) 내부에서 발생하는 가스가 내층(800b) 및 전지 케이스(300) 외부로 노출되는 외층(700b)을 순차적으로 거쳐 Z축 방향을 따라 배출할 수 있다.
내층(800b)의 일 단부(800E1b)와 타 단부(800E2b)는 서로 마주하는 양 단부일 수 있다. 투과성이 좋은 내층(800b)이 외부 환경에 노출 시 외부 성분이 전지 케이스(300) 내부로 침투하는 문제가 있을 수 있다. 따라서 본 실시예에서는, 전지 케이스(300) 외측에서 내층(800b)을 직접 노출되지 않도록 구성하여, 단순히 가스 투과층을 층으로 배치하는 경우에 비해, 외부 성분의 침투 가능성을 줄일 수 있다. 대신 내층(800b)의 타 단부(800E2b)가 전지 케이스(300)의 내부의 공간에 노출되도록 형성함으로써 가스 배출 효과를 보완할 수 있다. 이 때, 상술한 바 대로, 내층(800b)은 전해액 환경에서 안정한, 즉, 전지 케이스(300) 내부의 전해액과 반응하지 않는 소재를 포함하는 것이 바람직하다. 일례로, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시양태에서, 상기 전지 케이스(300)의 외측에서, 상기 내층(800b)의 일 단부를 감싸는 외층(700b)의 리드 필름(600b)의 전극 리드 연장 방향의 폭(W)은 2 mm 이상, 또는 2 mm 내지 3 mm 일 수 있다. 상기 내층(800b)의 일 단부를 감싸는 외층(700b)의 리드 필름(600b)의 전극 리드 연장 방향의 폭이 전술한 범위를 만족하는 경우, 전지 케이스(300) 내부에서 발생한 가스가 외부로 배출되는 과정에서 리드 필름(600b)이 찢어지는 현상을 방지하기 더욱 용이할 수 있다.
이하에서는, 도 9를 참고하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리드 필름(600c)에 대해 자세히 설명하도록 한다. 다만, 상술한 내용과 중복되는 부분에 대해서는, 설명을 생략한다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 단면도이다. 도 9는 도 4의 절단면과 같이, yz 평면을 따라 자른 단면에 해당한다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리드 필름(600c)은, 접착성의 외층(700c) 및 통기성의 내층(800c)을 포함한다.
이 때, 전지 케이스(300)의 외측에서 내층(800c)의 일 단부(800E1c)와 전지 케이스(300)의 내부에서 내층(800c)의 타 단부(800E2c)가 모두 외층(700c)에 의해 감싸지도록 형성될 수 있다. 내층(800c)의 일 단부(800E1c)와 타 단부(800E2c)는 서로 마주하는 양 단부일 수 있다. 상술한 바 대로, 가스 투과를 위한 내층(800c)이 전지 케이스(300) 내부의 전해액과 반응하여 내부 구성품에 영향을 미치고 전지 성능에 악영향을 미칠 우려가 있다. 또한 투과성이 좋은 내층(800c)이 외부 환경에 노출 시 외부 성분이 전지 케이스(300) 내부로 침투하는 문제가 있을 수 있다. 따라서 본 실시예에서는, 가스 배출 효과를 높이는 것 보다, 내층(800c)이 전지 케이스(300) 내부의 전해액 등과 반응할 우려를 줄이고, 외부 물질의 침투의 가능성을 줄이는 것에 중점을 두어, 내층(800c)의 마주하는 양 단부(800E1c, 800E2c)가 모두 외층(700c)에 감싸지도록 구성하였다.
한편, 도 3, 도 4, 도 7, 도 8 및 도 9를 참고하면, 본 실시예들에 따른 리드 필름(600, 600a, 600b, 600c)의 일 단부(800E1, 800E1a, 800E1b, 800E1c)는 전지 케이스(300)의 외측면보다 외측에 위치할 수 있다. 또한, 리드 필름(600, 600a, 600b, 600c)의 타 단부(800E2, 800E2a, 800E2b, 800E2c)는 전지 케이스(300)의 내측면보다 내측에 위치할 수 있다.
이에 따라, 리드 필름(600, 600a, 600b, 600c)은 내층(800, 800a, 800b, 800c)의 면적을 최대화하여, 전지 케이스(300) 내부에서 발생된 가스를 효과적으로 배출할 수 있다.
이하에서는, 도 10을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 리드 필름의 구체적 구성에 대해 설명하도록 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 리드 필름의 구체적 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리드 필름은 상술한 바대로, 접착성의 외층(700) 및 통기성의 내층(800)을 포함한다.
이 때, 외층(700)은, 상부 케이스(310)의 상부 실링부(310S)와 전극리드(400) 사이에 위치한 상부 외층(700U) 및 하부 케이스(320)의 하부 실링부(320S)와 전극리드(400) 사이에 위치한 하부 외층(700L)을 포함할 수 있다. 한편, 내층(800)은, 상부 외층(700U)에 의해 감싸진 상부 내층(800U) 및 하부 외층(700L)에 의해 감싸진 하부 내층(800L)을 포함할 수 있다.
또한, 상부 외층(700U)은, 제1 상부 외층(710U) 및 제2 상부 외층(720U)을 포함할 수 있고, 상부 내층(800U)이 이러한 상기 제1 상부 외층(710U) 및 제2 상부 외층(720U) 사이에 위치할 수 있다. 이 때, 전극리드(400)의 돌출 방향과 수직한 방향(x축과 평행한 방향)에 대한 제1 상부 외층(710U) 및 제2 상부 외층(720U)의 폭(d1)이 상부 내층(800U)의 폭(d2)보다 넓을 수 있다.
또한, 하부 외층(700L)은, 제1 하부 외층(710L) 및 제2 하부 외층(720L)을 포함할 수 있고, 하부 내층(800L)은, 이러한 제1 하부 외층(710L) 및 제2 하부 외층(720L) 사이에 위치할 수 있다. 상부 외층(700U)에서와 마찬가지로, 전극리드(400)의 돌출 방향과 수직한 방향(x축과 평행한 방향)에 대한 제1 하부 외층(710L) 및 제2 하부 외층(720L)의 폭이 하부 내층(800L)의 폭보다 넓을 수 있다.
본 실시예에서는, 제1 상부 외층(710U), 상부 내층(800U), 제2 상부 외층(720U), 제1 하부 외층(710L), 하부 내층(800L) 및 제2 하부 외층(720L)간에 접합을 실시할 때, 서로 인접한 층에 열과 압력을 가해 접합을 실시한 후 다음 층을 위치시켜 다시 열과 압력을 가해 접합하는 과정을 실시한다. 즉, 대면하는 각 층에 대해 열과 압력을 인가하는 과정을 모든 층에 대해 반복 실시하여 본 실시예에 따른 리드 필름을 제조할 수 있다.
제1 상부 외층(710U), 제2 상부 외층(720U), 제1 하부 외층(710L) 및 제2 하부 외층(720L)들이 접합되어, 전극리드(400)를 감싸는 외층(700)들을 형성할 수 있다. 도 4, 도 7, 도 8 및 도 9를 다시 참고하면, 내층(800, 800a, 800b, 800c)과 전극리드(400)의 일면 사이에 외층(700, 700a, 700b, 700c)의 일 부분이 위치할 수 있다. 즉, 내층(800, 800a, 800b, 800c)은 전극리드(400)와 직접 접촉하는 형태가 아닐 수 있다. 이는, 도 10에서 도시된 것처럼, 제2 상부 외층(720U)이 상부 내층(800U)과 전극리드(400) 사이에 배치되어 있고, 제1 하부 외층(710L)이 하부 내층(800L)과 전극리드(400) 사이에 배치되어 있기 때문이다.
또한, 상술한 바 대로, 전극리드(400)의 돌출 방향과 수직한 방향(x축과 평행한 방향)에 대하여, 제1 상부 외층(710U), 제2 상부 외층(720U), 제1 하부 외층(710L) 및 제2 하부 외층(720L)의 폭(d1)을 상부 내층(800U)과 하부 내층(800L)의 폭(d2) 보다 넓게 설계하여, 외층(700) 내부에 내층(800)이 위치하도록 형성할 수 있다.
또한, 전극리드(400)의 돌출 방향(y축과 평행한 방향)에 대하여, 상부 외층(700U), 하부 외층(700L), 상부 내층(800U) 및 하부 외층(700L) 모두의 길이를 상부 실링부(310S)와 하부 실링부(320S)보다 길게 형성함으로써, 전지 케이스(300)의 내부와 외측 각각에서 본 실시예에 따른 리드 필름이 노출될 수 있다.
이하에서는, 도 11에 도시된 비교예에 따른 리드 필름 대비 본 발명의 실시예들에 따른 리드 필름이 갖는 장점에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 11은 각각 본 발명의 비교예들에 따른 리드 필름의 형태를 나타낸 부분 단면도이다.
먼저 도 11을 참고하면, 본 비교예에서는, 전극리드(40)가 상부 실링부(310S)와 하부 실링부(320S) 사이를 경유해 외부로 돌출되고, 상부 실링부(310S)와 하부 실링부(320S) 사이에서 리드 필름(70)이 전극리드(40)를 감싸고 있다. 이 때, 전극리드(40)의 일면에는 가스 투과를 위한 가스 투과층(80)이 형성될 수 있고, 이러한 가스 투과층(80)은 금속이나 합금 소재를 포함하는 금속 투과층일 수 있다. 전기적 절연과 밀봉을 위해 리드 필름(70)이 고분자 수지를 포함하기 때문에 금속이나 합금 소재를 포함하는 가스 투과층(80)은 리드 필름(70)과의 접합성에 문제가 있을 수 있고, 이는 이차전지의 밀봉성을 저해하는 요인이 될 수 있다.
이와 달리, 도 3, 도 4, 도 7, 도 8 및 도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 리드 필름(600)은, 리드 필름(600, 600a, 600b, 600c)은 통기도가 상대적으로 높은 내층(800, 800a, 800b, 800c)을 외층(700, 700a, 700b, 700c)의 내부에 배치한 형태이므로, 밀봉성 저하의 문제없이, 전지 케이스(300) 내부의 가스를 배출하는 경로를 마련할 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 도 3, 도 4, 도 7, 도 8 및 도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 리드 필름(600, 600a, 600b, 600c)은, 내층(800, 800a, 800b, 800c)이 외층(700, 700a, 700b, 700c)의 내부에 배치되어 있고, 내층(800, 800a, 800b, 800c)의 외면과 외층(700, 700a, 700b, 700c)의 내면이 서로 접착된 형태일 수 있다.
여기서, 접착이란, 외층(700, 700a, 700b, 700c)과 내층(800, 800a, 800b, 800c)이 인가된 열이나 압력에 의해 서로 용착되는 것이나, 별도의 접착제가 개재되어 접착되는 것을 모두 포괄한다.
내층(800, 800a, 800b, 800c)은 상대적으로 통기도가 높은 소재를 포함하면서, 외층(700, 700a, 700b, 700c)에 접착된 형태이기 때문에, 일종의 물리적 지지대로써의 역할을 수행할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 내층(800, 800a, 800b, 800c)은 가스를 배출하는 통로로 기능하면서도, 리드 필름(600, 600a, 600b, 600c)의 내구성과 강성을 보완하는 기능을 담당할 수 있다. 이에 따라, 상기 비교예에서와 같이 리드 필름이 상, 하부 방향으로 팽창되어 일부가 인장되는 문제를 방지할 수 있다는 장점을 갖는다.
이하에서는, 도 12 및 도 13을 참고하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리드 필름에 대해 설명하도록 한다.
도 12와 도 13은 각각 본 발명의 다른 실시예들에 따른 리드 필름의 형태를 나타낸 부분 단면도이다.
도 12 및 도 13을 참고하면, 본 발명의 실시예들에 따른 리드 필름(600', 600”)은 외층(700', 700”)과 내층(800', 800”)을 포함할 수 있다. 외층(700', 700”)과 내층(800', 800”)에 대한 구체적 설명은 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략한다. 다만, 본 실시예들에 따른 내층(800', 800”)은 전극리드(400)의 일면에 접촉되는 형태일 수 있다. 상부에 위치한 내층(800', 800”)은 전극리드(400)의 상면에 접촉되고, 하부에 위치한 내층(800', 800”)은 전극리드(400)의 하면에 접촉될 수 있다. 도 4, 도 7, 도 8 및 도 9에 도시된 실시예들과 달리, 내층(800, 800')과 전극리드(400) 사이에 외층의 일부분이 위치하지 않는다.
도 12는 내층(800')의 일 단부(800E1')가 개방되고 타 단부(800E2')가 외층(700')에 의해 감싸진 형태를 도시하고, 도 13은 내층(800”)의 일 단부(800E1”)가 외층(700”)에 의해 감싸지고 타 단부(800E2”)가 개방된 형태를 도시한다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 내층의 일단부와 타단부가 모두 개방되거나 모두 외층에 의해 감싸진 형태도 가능하다.
도 10을 참고했을 때, 제2 상부 외층(720U)과 제1 하부 외층(710L)을 제거하면, 도 12와 도 13에 도시된 리드 필름(600', 600”)을 제조할 수 있다. 즉, 전극리드(400)의 일면에 접촉되는 형태의 내층(800', 800”)을 갖는 리드 필름(600', 600”)은, 제조 과정 상에서 열용착이 필요한 층의 개수가 줄어드는 것이기 때문에 열용착 단계가 일부 축소되는 것이다. 따라서, 제조 공정상 이점이 있고, 또 비용 절감의 효과를 갖는다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 이차전지가 여러 개로 모여 전지 모듈을 형성할 수 있다. 이러한 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 이차전지, 상기 전지 모듈 또는 상기 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (26)

  1. 전극시트들과 상기 전극시트들 사이에 위치한 분리막을 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되는 파우치형의 전지 케이스;
    상기 전극 조립체와 연결되고 상기 전지 케이스의 외측으로 돌출되는 전극리드; 및
    상기 전극리드를 감싸고, 상기 전극 리드와 상기 전지 케이스 사이에 개재되는 리드 필름을 포함하고,
    상기 리드 필름은, 상기 전극리드를 감싸는 외층 및 상기 외층 내부에 위치한 내층을 포함하고,
    상기 내층은 상기 외층보다 통기도가 높은 소재를 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에서,
    상기 내층의 외면과 상기 외층의 내면은 서로 접착된 형태인 이차전지.
  3. 제1항에서,
    상기 전지 케이스의 외측에서, 상기 내층의 일 단부가 외부로 노출되고,
    상기 전지 케이스의 내부에서, 상기 내층의 타 단부가 상기 외층에 의해 감싸져 있는 이차전지.
  4. 제1항에서,
    상기 전지 케이스의 외측에서, 상기 내층의 일 단부가 외부로 노출되고,
    상기 전지 케이스의 내부에서, 상기 내층의 타 단부가 상기 전지 케이스의 내부의 공간에 노출되는 이차전지.
  5. 제1항에서,
    상기 전지 케이스의 외측에서, 상기 내층의 일 단부가 상기 외층에 의해 감싸지고,
    상기 전지 케이스의 내부에서, 상기 내층의 타 단부가 상기 전지 케이스의 내부의 공간에 노출되는 이차전지.
  6. 제1항에서,
    상기 전지 케이스의 외측에서, 상기 내층의 일 단부가 상기 외층에 의해 감싸져 있고,
    상기 전지 케이스의 내부에서, 상기 내층의 타 단부가 상기 외층에 의해 감싸져 있는 이차전지.
  7. 제5항 또는 제6항에서,
    상기 전지 케이스의 외측에서, 상기 내층의 일 단부를 감싸는 외층의 리드 필름의 전극 리드 연장 방향의 폭은 2 mm 이상인 이차전지.
  8. 제1항에서,
    상기 내층과 상기 전지 케이스 사이의 외층의 두께가 100 내지 300 ㎛인 이차전지.
  9. 제1항에서,
    상기 내층의 두께가 50 내지 150 ㎛인 이차전지.
  10. 제1항에서,
    상기 외층의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 4 내지 40 barrer인 이차전지.
  11. 제1항에서,
    상기 외층의 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 0.02 내지 0.2 g인 이차전지.
  12. 제1항에서,
    상기 내층의 가스 투과도(permeability)가 1.6 e5 내지 1.6 e7 barrer인 이차전지.
  13. 제1항에서,
    상기 외층은 폴리올레핀(Polyolefin)계 수지를 포함하고,
    상기 폴리올레핀계 수지는, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함하는 이차전지.
  14. 제1항에서,
    상기 내층은, 폴리올레핀(Polyolefin)계 수지, 불소계 수지, 천연 소재, 유리 섬유(glass fiber), 세라믹 섬유(ceramic fiber) 및 금속 섬유(metal fiber)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함하는 이차전지.
  15. 제14항에서,
    상기 폴리올레핀계 수지는, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함하고,
    상기 불소계 수지는, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 및 폴리비닐리덴 플로라이드(Polyvinylidene fluoride)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함하며,
    상기 천연 소재는 cotton 및 wool으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함하는 이차전지.
  16. 제1항에서,
    상기 내층과 상기 전극리드의 일면 사이에 상기 외층의 일부분이 위치하는 형태인 이차전지.
  17. 제1항에서,
    상기 전지 케이스는, 상부 케이스 및 하부 케이스를 포함하고,
    상기 상부 케이스의 상부 실링부와 상기 하부 케이스의 하부 실링부가 서로 접합하며,
    상기 리드 필름은 상기 상부 실링부와 상기 하부 실링부 사이에 위치하는 이차전지.
  18. 제17항에서,
    상기 전극리드의 돌출 방향에 대해, 상기 리드 필름이 상기 상부 실링부 및 상기 하부 실링부보다 길게 형성되어, 상기 전지 케이스의 내부와 외측 각각에서 상기 리드 필름이 노출되는 이차전지.
  19. 제18항에서,
    상기 리드 필름이 상기 전지 케이스의 외측에서 노출되는 면적이 상기 리드 필름이 상기 전지 케이스의 내측에서 노출되는 면적과 동일한 이차전지.
  20. 제18항에서,
    상기 리드 필름이 상기 전지 케이스의 외측에서 노출되는 면적이 상기 리드 필름이 상기 전지 케이스의 내측에서 노출되는 면적보다 큰 이차전지.
  21. 제17항에서,
    상기 외층은, 상기 상부 실링부와 상기 전극리드 사이에 위치한 상부 외층 및 상기 하부 실링부와 상기 전극리드 사이에 위치한 하부 외층을 포함하는 이차전지.
  22. 제21항에서,
    상기 내층은, 상기 상부 외층에 의해 감싸진 상부 내층 및 상기 하부 외층에 의해 감싸진 하부 내층을 포함하는 이차전지.
  23. 제22항에서,
    상기 상부 외층은, 제1 상부 외층 및 제2 상부 외층을 포함하고,
    상기 상부 내층은, 상기 제1 상부 외층 및 상기 제2 상부 외층 사이에 위치하는 이차전지.
  24. 제22항에서,
    상기 하부 외층은, 제1 하부 외층 및 제2 하부 외층을 포함하고,
    상기 하부 내층은, 상기 제1 하부 외층 및 상기 제2 하부 외층 사이에 위치하는 이차전지.
  25. 제1항에서,
    상기 내층은, 상기 전극리드의 일면에 접촉되는 형태인 이차전지.
  26. 제1항에 따른 이차전지를 포함하는 전지 모듈.
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