WO2023121363A1 - 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 - Google Patents

파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 Download PDF

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WO2023121363A1
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WO
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battery case
pouch
gas barrier
type battery
barrier layer
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PCT/KR2022/021111
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English (en)
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Inventor
강민형
김상훈
유형균
황수지
송대웅
임훈희
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a pouch-type battery case, and more particularly, to a high-strength battery case that is less damaged by external stress and a lithium secondary battery including the same.
  • Secondary batteries are used not only for small products such as digital cameras, P-DVDs, MP3Ps, mobile phones, PDAs, portable game devices, power tools, and E-bikes, but also for large products requiring high output, such as electric vehicles and hybrid vehicles, and surplus generation power. However, it is applied and used to a power storage device for storing renewable energy and a power storage device for backup.
  • a secondary battery manufactures a positive electrode and a negative electrode by applying an electrode active material slurry to a positive electrode current collector and a negative electrode current collector, and laminates the slurry on both sides of a separator to form an electrode assembly of a predetermined shape, It is manufactured by accommodating the electrode assembly in a battery case and sealing it after injecting the electrolyte.
  • Secondary batteries are classified into a pouch type and a can type according to the material of a case accommodating the electrode assembly.
  • a pouch type an electrode assembly is accommodated in a pouch made of a flexible polymer material.
  • a pouch-type battery case is manufactured by forming a cup portion for accommodating an electrode assembly by performing a press process on a flexible pouch film laminate. Thereafter, the electrode assembly is accommodated in the cup portion of the battery case, electrolyte is injected, and the sealing portion is sealed to manufacture a secondary battery.
  • a pouch film laminate is generally formed of a plurality of layers in which a polymer film such as polyethylene terephthalate is laminated on one surface of a gas barrier layer made of metal and a sealant layer is laminated on the other surface.
  • Patent Document 1 discloses that when manufacturing a case for a secondary battery, an additional member is bonded to the edge of the cup portion (accommodation portion) or the thickness of the barrier layer of the edge of the cup portion is thickened by varying the stretching pressure.
  • a secondary battery case capable of suppressing cracks and pinholes even during molding is disclosed.
  • Patent Document 1 when an additional member is bonded to the edge of the cup portion, the stretchability during molding is poor, and a step difference occurs due to the bonding of the additional member, or the thickness of the sealant layer or base layer becomes non-uniform, resulting in sealing durability. And it has an adverse effect on insulation, etc.
  • the thickness of the pouch film laminate is non-uniform when bonding the additional member, making it difficult to roll.
  • the molding pressure is adjusted to increase the thickness of the edge of the cup portion, the elongation is non-uniform, resulting in wrinkles after molding, which may adversely affect the appearance and sealing quality.
  • the present invention is to solve the above problems, and to provide a pouch-type battery case capable of minimizing the occurrence of corner cracks in a cup portion and a secondary battery including the same.
  • the present invention is a pouch-type battery case made of a pouch film laminate including a gas barrier layer, a substrate layer disposed on one surface of the gas barrier layer, and a sealant layer disposed on the other surface of the gas barrier layer
  • the battery case may include at least one cup portion having a recessed shape to accommodate the electrode assembly; and a terrace located on at least a part of the circumference of the cup part, wherein the cup part includes a bottom surface and a plurality of circumferential surfaces surrounding the bottom surface, and a corner where the bottom surface and a pair of adjacent circumferential surfaces come into contact.
  • the thickness of the gas barrier layer is greater than 30 ⁇ m, preferably greater than 30 ⁇ m and less than or equal to 70 ⁇ m, and more preferably greater than 30 ⁇ m and less than or equal to 60 ⁇ m.
  • the thickness of the gas barrier layer at the corner may be 50% to 70%, preferably 50% to 65%, more preferably 55% to 65% of the thickness of the gas barrier layer at the terrace.
  • the radius of curvature of the corner may be 0.5 to 5.0 mm, preferably 1.0 to 4.0 mm, and more preferably 2.0 to 3.5 mm.
  • the battery case may include two cup parts and a folding part formed between the two cup parts.
  • the thickness of the gas barrier layer in the terrace may be 60 ⁇ m or more, preferably 60 ⁇ m to 100 ⁇ m, and more preferably 60 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the depth of the cup part may be 5.0 mm or more, preferably 5.0 to 20 mm, more preferably 6.5 mm to 20 mm.
  • the cup portion may have a tensile strength of 200 N or more, preferably 200 N to 300 N, and more preferably 210 N to 260 N.
  • the present invention provides an electrode assembly formed by stacking an anode, a separator, and a cathode; and a pouch-type battery case accommodating the electrode assembly, wherein the battery case is a pouch-type battery case according to the present invention.
  • the battery case according to the present invention uses a pouch film laminate having a gas barrier layer thickness of 60 ⁇ m or more so that the remaining thickness of the gas barrier layer at the corner of the cup portion after cup molding can be formed thicker than 30 ⁇ m. , cracks such as cracks or pinholes can be effectively suppressed at the corners of the cup part even when the drawing conditions are severe. As described above, since the battery case of the present invention has few cracks or pinholes at the corners of the cup portion, it has high resistance to external shocks generated during distribution processes or charging and discharging, so that leakage of electrolyte and moisture penetration due to damage to the battery case can be prevented. stability can be ensured.
  • the depth of the cup portion can be formed by sufficiently extending the thickness of the gas barrier layer at the corner of the cup portion to 50% to 70% of the thickness of the gas barrier layer of the terrace, which is an unformed region. Accordingly, the volume of the accommodation space of the electrode assembly can be increased, so that high energy density can be realized.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a battery case according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a partially enlarged view of A of FIGS. 1 and 2 .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a pouch film laminate of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a cutting position of a battery case for preparing a sample for measuring tensile strength in Experimental Example 3;
  • Example 8 is a photograph of the exterior of the battery case of Example 1.
  • the inventors of the present invention have a battery that can realize high energy density with a wide accommodation space of the battery assembly, and can suppress damage due to external stress generated during distribution processes or charging and discharging processes, especially damage at the corner of the cup part, which is a weak part.
  • the above object can be achieved when the battery case is formed such that the remaining thickness of the gas barrier layer at the corner of the cup exceeds 30 ⁇ m after cup molding, and the present invention has been completed.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a secondary battery 1 according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing a battery case according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an enlarged partial enlarged view of portion A of FIGS. 1 and 2
  • FIG. 4 is a view showing one embodiment of a pouch film laminate for manufacturing a battery case of the present invention.
  • the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4 .
  • a secondary battery 1 may include a pouch-type battery case 100 (hereinafter referred to as 'battery case') and an electrode assembly 200 accommodated in the battery case 100. there is.
  • 'battery case' a pouch-type battery case 100
  • electrode assembly 200 accommodated in the battery case 100.
  • the pouch-type battery case 100 is manufactured by inserting a flexible pouch film laminate into a press forming apparatus, applying pressure to a portion of the pouch film laminate with a punch to stretch it, and forming a recessed cup portion. do.
  • the pouch film laminate includes a gas barrier layer 20, a substrate layer 10 disposed on one surface of the gas barrier layer 20, and the gas barrier layer 20. and a sealant layer 30 disposed on the other surface of the
  • the substrate layer 10 is disposed on the outermost layer of the battery case to protect and electrically insulate the electrode assembly from external impact.
  • the base layer 10 may be made of a polymer material, for example, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, acrylic polymer, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose , Aramid, nylon, polyester, polyparaphenylene benzobisoxazole, polyarylate, and may be made of at least one polymer material selected from the group consisting of teflon.
  • a polymer material for example, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, acrylic polymer, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose , Aramid, nylon, polyester, polyparaphenylene benzobisoxazole, polyarylate, and may be made of at least one polymer material selected from the group consisting of teflon.
  • the base layer 10 may have a single-layer structure or, as shown in FIG. 4 , a multi-layer structure in which different polymer films 12 and 14 are stacked.
  • an adhesive layer 16a may be interposed between the polymer films.
  • the base layer 10 may have a total thickness of 10 ⁇ m to 60 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m to 50 ⁇ m, and more preferably 30 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the thickness is the thickness including the adhesive layer.
  • the base layer 10 satisfies the above range, durability, insulation and moldability appear excellent. If the thickness of the substrate layer is too thin, durability is reduced, and the substrate layer may be damaged during molding, and if the thickness is too thick, moldability may be deteriorated, the overall thickness of the pouch film laminate film increases, and the battery accommodation space decreases This may lower the energy density.
  • the base layer 10 may have a laminated structure of a polyethylene terephthalate (PET) film and a nylon film.
  • PET polyethylene terephthalate
  • nylon film is disposed on the gas barrier layer 20 side, that is, on the inside, and the polyethylene terephthalate film is disposed on the surface side of the battery case.
  • PET Polyethylene terephthalate
  • the adhesiveness with the aluminum alloy thin film constituting the gas barrier layer 20 is weak and the stretching behavior is different, when the PET film is placed on the gas barrier layer side, the substrate layer and the Separation of the gas barrier layer may occur, and the gas barrier layer may not be stretched uniformly, resulting in deterioration of formability.
  • the nylon film since the nylon film has a similar stretching behavior to the aluminum alloy thin film constituting the gas barrier layer 20, an effect of improving formability can be obtained when the nylon film is disposed between the polyethylene terephthalate and the gas barrier layer.
  • the polyethylene terephthalate film may have a thickness of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, preferably 5 ⁇ m to 15 ⁇ m, more preferably 7 ⁇ m to 15 ⁇ m, and the nylon film may have a thickness of 10 ⁇ m to 40 ⁇ m, Preferably it may be 10 ⁇ m to 35 ⁇ m, more preferably 15 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the thicknesses of the polyethylene terephthalate film and the nylon film satisfy the above ranges, formability and rigidity after molding are excellent.
  • the gas barrier layer 20 is to secure mechanical strength of the battery case, block the entry and exit of gas or moisture from the outside of the secondary battery, and prevent leakage of the electrolyte.
  • the gas barrier layer 20 may have a thickness of 60 ⁇ m or more, preferably 60 ⁇ m to 100 ⁇ m, and more preferably 60 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the thickness of the gas barrier layer of the pouch film laminate is 60 ⁇ m or more, the remaining thickness of the gas barrier layer at the corner of the cup portion can be formed to exceed 30 ⁇ m even when the cup portion is formed to a depth of 6.5 mm or more.
  • the moldability is improved to increase the cup molding depth or to reduce cracks and/or pinholes even during 2-cup molding, resulting in resistance to external stress after molding.
  • the molding depth must be reduced or the pressure during corner elongation must be reduced, when the molding depth is reduced, the volume of the space for accommodating the electrode assembly is reduced, making it difficult to realize high energy density.
  • the corner drawing pressure is reduced, the drawing may be non-uniform, resulting in wrinkles.
  • the gas barrier layer 20 may be made of a metal material, specifically, it may be made of an aluminum alloy thin film.
  • the aluminum alloy thin film includes aluminum and a metal element other than the aluminum, for example, iron (Fe), copper (Cu), chromium (Cr), manganese (Mn), nickel (Ni), magnesium (Mg), silicon It may include one or two or more selected from the group consisting of (Si) and zinc (Zn).
  • a metal element other than the aluminum for example, iron (Fe), copper (Cu), chromium (Cr), manganese (Mn), nickel (Ni), magnesium (Mg), silicon It may include one or two or more selected from the group consisting of (Si) and zinc (Zn).
  • the aluminum alloy thin film may have an iron (Fe) content of 1.2wt% to 1.7wt%, preferably 1.3wt% to 1.7wt%, and more preferably 1.3wt% to 1.45wt%. If the iron (Fe) content in the aluminum alloy thin film is less than 1.2wt%, the strength of the aluminum alloy thin film is lowered and cracks and pinholes may occur during molding, and if it exceeds 1.7wt%, the flexibility of the aluminum alloy thin film is reduced. There is a limit to improve formability and flexibility.
  • the aluminum alloy thin film includes an aluminum alloy thin film having a crystal grain size of 10 ⁇ m to 13 ⁇ m, preferably 10.5 ⁇ m to 12.5 ⁇ m, and more preferably 11 ⁇ m to 12 ⁇ m.
  • the crystal grain size of the aluminum alloy thin film satisfies the above range, it is possible to increase the molding depth without generating pinholes or cracks during cup molding.
  • the grain size of the aluminum alloy thin film exceeds 13 ⁇ m, the strength of the aluminum alloy thin film decreases, and cracks or pinholes increase due to difficulty in distributing internal stress during stretching. There is a limit to the improvement of flexibility and flexibility.
  • the grain size varies depending on the composition of the aluminum alloy thin film and the processing method of the aluminum alloy thin film, and can be measured by observing a cross section of the aluminum alloy thin film in the thickness direction with a scanning electron microscope (SEM). Specifically, in the present invention, a cross-sectional SEM image of an aluminum alloy thin film in the thickness direction is obtained using a scanning electron microscope, and the maximum diameter of 30 random crystal grains observed in the SEM image is measured, and then the average value thereof is obtained. was evaluated for grain size.
  • SEM scanning electron microscope
  • the aluminum alloy thin film may be an aluminum alloy having alloy number AA8021, but is not limited thereto.
  • the sealant layer 30 is bonded through thermal compression to seal the battery case, and is located in the innermost layer of the pouch film laminate.
  • the sealant layer 30 is a surface in contact with the electrolyte and the electrode assembly after being molded into a battery case, it must have insulation and corrosion resistance, and must completely seal the inside to block material movement between the inside and the outside, so it must have high sealing properties. do.
  • the sealant layer 30 may be made of a polymer material, for example, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, an acrylic polymer, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, It may be made of at least one selected from the group consisting of cellulose, aramid, nylon, polyester, polyparaphenylene benzobisoxazole, polyarylate, and Teflon, among which tensile strength, stiffness, surface hardness, abrasion resistance, heat resistance It is particularly preferable to include polypropylene (PP) having excellent mechanical properties such as corrosion resistance and chemical properties such as corrosion resistance.
  • PP polypropylene
  • the sealant layer 30 may include polypropylene, cast polypropylene (CPP), acid modified polypropylene, polypropylene-butylene-ethylene copolymer, or a combination thereof. It may contain.
  • the sealant layer 30 may have a single-layer structure or a multi-layer structure including two or more layers made of different polymer materials.
  • the sealant layer may have a total thickness of 60 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 60 ⁇ m to 90 ⁇ m, and more preferably 70 ⁇ m to 90 ⁇ m. If the thickness of the sealant layer is too thin, sealing durability and insulating properties may be deteriorated, and if the sealant layer is too thick, flexibility may be deteriorated and the total thickness of the pouch film laminate may increase, resulting in a decrease in energy density versus volume.
  • the pouch film laminate according to the present invention may have a total thickness of 160 ⁇ m to 200 ⁇ m, preferably 180 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the molding depth may be increased while minimizing a decrease in battery accommodating space and a decrease in sealing durability due to an increase in the thickness of the pouch film laminate.
  • the pouch film laminate of the present invention as described above may be manufactured through a method for manufacturing a pouch film laminate known in the art.
  • the substrate layer 10 is attached to the upper surface of the gas barrier layer 20 through an adhesive, and the sealant is applied to the lower surface of the gas barrier layer 20 through coextrusion or an adhesive. It may be manufactured through a method of forming the layer 30, but is not limited thereto.
  • the battery case 100 is manufactured by inserting the pouch film laminate prepared as described above into a molding device and applying pressure with a punch to a portion of the pouch film laminate to form a cup portion.
  • the pressure may be about 0.3 MPa to 1 MPa, preferably 0.3 MPa to 0.8 MPa, more preferably 0.4 MPa to 0.6 MPa. If the pressure is too low during molding of the cup part, excessive drawing may occur and wrinkles may occur, and if the pressure is too high, drawing may not be performed well and the molding depth may be reduced.
  • the moving speed of the punch may be 20 mm/min to 80 mm/min, preferably 30 mm/min to 70 mm/min, and more preferably 40 mm/min to 60 mm/min. If the moving speed of the punch is too fast, the circumferential surface 112 of the cup portion 110 is not sufficiently stretched and compressive force acts, which may cause wrinkles due to buckling. If the moving speed of the punch is too slow, During molding, the stress concentrated on the corner of the cup portion increases, which may increase the occurrence of pinholes or cracks.
  • the battery case 100 includes a cup portion 110 having a recessed shape and a terrace 120 located at least a part of the circumference of the cup portion 110 .
  • the cup portion 110 has an accommodation space B for accommodating the electrode assembly 200, and the terrace 120 covers the unmolded portion of the pouch film laminate, that is, the remaining area except for the cup portion 110. it means.
  • the cup portion 110 may include a bottom surface 111 and a circumferential surface 112 .
  • the circumferential surface 112 may connect the bottom surface 112 and the terrace 120 .
  • the circumferential surface 112 may be provided with a plurality of, more specifically, four.
  • the bottom surface 111 may cover one surface of the electrode assembly 200 , and the circumference surface 112 may surround the circumference of the electrode assembly 200 .
  • the cup portion 110 includes a first edge 113 where the circumferential surface 112 and the terrace 120 meet, a second edge 114 where the bottom surface 111 and the circumferential surface 112 meet, and a plurality of Among the circumferential surfaces 112 of the dog, a third edge 115 where a pair of adjacent circumferential surfaces 112 meet each other may be included.
  • Each of the edges 113, 114, and 115 may be rounded to have a predetermined radius of curvature.
  • the cup portion 110 may include a corner 116 where a pair of adjacent circumferential surfaces 112 and a bottom surface 111 meet among the plurality of circumferential surfaces 112 . That is, the corner 116 may be a portion where a pair of adjacent second edges 114 and third edges 115 overlap each other. The corner 116 may have a predetermined radius of curvature.
  • the cup portion 110 has four circumferential surfaces 112 , four edges 113 , 114 , 115 and four corners 116 may be formed.
  • the thickness of the gas barrier layer at the corner 116 is greater than 30 ⁇ m, preferably greater than 30 ⁇ m and less than or equal to 70 ⁇ m, more preferably greater than 30 ⁇ m and less than or equal to 60 ⁇ m,
  • the corner 116 is a part where elongation stress is concentrated during molding of the cup part, and since elongation occurs the most, it is formed thinner than other parts, and cracks and pinholes occur the most, so it is most vulnerable to external impact.
  • the stress concentrated in the corner since pressure is applied by two punches at a close distance, the stress concentrated in the corner further increases, and this problem tends to be further intensified.
  • the present invention suppresses crack generation and minimizes damage due to external impact by forming a gas barrier layer thicker than 30 ⁇ m at the corner 116 of the cup portion.
  • the thickness of the gas barrier layer at the corner 116 is 50% to 70%, preferably 50% to 65%, more preferably 55% to 65% of the thickness of the gas barrier layer at the terrace 120.
  • the thickness of the gas barrier layer in this portion is substantially the same as that of the gas barrier layer of the pouch film laminate before molding. Accordingly, the thickness of the gas barrier layer on the terrace 120 may be 60 ⁇ m or more, preferably 60 ⁇ m to 100 ⁇ m, and more preferably 60 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the radius of curvature of the corner 116 may be formed to be 0.5 to 5.0 mm, preferably 1.0 to 4.0 mm, and more preferably 2.0 to 3.5 mm.
  • the radius of curvature of the corner 116 may be the radius of curvature of the inner surface of the corner 116 . If the radius of curvature of the corner 116 is too small, it is difficult to maintain the thickness of the gas barrier layer at the corner at 30 ⁇ m or more, and if the radius of curvature is too large, the energy density of the cup portion may decrease due to a decrease in the receiving space of the cup portion.
  • the clearance CL between the first edge 113 and the second edge 114 may be 2 mm or less, preferably 0.3 mm to 1 mm.
  • the clearance CL is a virtual first vertical line perpendicularly passing through the boundary point between the first edge 113 and the circumferential surface 112, and the boundary point between the second edge 114 and the circumferential surface 112. It may mean a distance between virtual second vertical lines that vertically pass through .
  • the battery case 100 may include a lower case 101, an upper case 102, and a folding part 130 connecting the lower case and the lower case.
  • the cup portion 110 is formed on each of the lower case 101 and the upper case 102 to include two cup portions. It may be a cup-shaped battery case or, as shown in FIG. 2 , a cup-shaped battery case in which the cup portion 110 is formed only on the lower case 101 .
  • the upper case is folded so that the cup part of the upper case and the cup part of the lower case face each other, so that the thickness of the electrode assembly is thicker than that of the 1-cup type battery case. It can be accommodated, and thus has the advantage of being advantageous in realizing high energy density.
  • the depth of the cup portion may be 5.0 mm or more, preferably 5.0 to 20 mm, and more preferably 6.5 mm to 20 mm. More specifically.
  • the depth of the cup part may be 7.0 to 17 mm, preferably 9.0 to 15 mm, and in the case of a 2-cup type battery case, the depth of each cup part is 5.0 to 12 mm, preferably 6 mm to 10 mm. , more preferably 7 mm to 10 mm.
  • the cup portion When the cup portion has a depth of less than 6.5 mm, it is difficult to achieve high energy density because the volume of the electrode assembly accommodating space B is small. On the other hand, if the depth of the cup portion is increased, it is advantageous in terms of energy density, but cracks or pinholes may occur during the molding process of the cup portion, resulting in deterioration in battery safety.
  • the folding part 130 connects the lower case 101 and the upper case 102, accommodates the electrode assembly 200 in the cup part 110, injects an electrolyte, and then folds the upper case 102.
  • the cup portion 110 of the lower case 101 can be sealed.
  • the folding part 130 is formed to be spaced apart from the cup part 110, and the separation distance between the folding part 130 and the cup part 110 may be about 0.5 mm to 3 mm, preferably about 0.5 mm to about 2 mm. If the folding part 130 is formed too close to the cup part 110, the folding is not smoothly performed, and if the folding part 130 is formed too far from the cup part 110, the total volume of the secondary battery increases and the energy density versus volume increases. may decrease. In the case of a 2-cup case, the folding part may be formed to satisfy the separation distance for each cup part.
  • the battery case of the present invention as described above can realize high energy density with a wide accommodating space for the electrode assembly, and has excellent rigidity of the cup portion to minimize damage due to external stress generated during the distribution process or charging and discharging process.
  • the battery case according to the present invention has excellent resistance to external impact as the cup portion has a high tensile strength of 200 N or more, preferably 200 N to 300 N, and more preferably 210 N to 260 N.
  • the tensile strength of the cup portion is 50 mm / min It means the strength at which fracture occurs when pulled at a tensile speed of
  • the secondary battery is manufactured by sealing the terrace 120 .
  • the electrode assembly 200 may include a plurality of electrodes and a plurality of separators that are alternately stacked.
  • the plurality of electrodes may include positive and negative electrodes that are alternately stacked with a separator interposed therebetween and have polarities opposite to each other.
  • the electrode assembly 200 may include a plurality of electrode tabs 230 welded to each other.
  • the plurality of electrode tabs 230 may be connected to the plurality of electrodes 210, protrude outward from the electrode assembly 200, and may act as a passage through which electrons may move between the inside and outside of the electrode assembly 200. there is.
  • a plurality of electrode tabs 230 may be located inside the battery case 100 .
  • the electrode tab 230 connected to the anode and the electrode tab 230 connected to the cathode may protrude in different directions with respect to the electrode assembly 200 .
  • a lead 240 supplying electricity to the outside of the secondary battery may be connected to the plurality of electrode tabs 230 by spot welding or the like.
  • One end of the lead 240 may be connected to the plurality of electrode tabs 230 and the other end may protrude out of the battery case 100 .
  • a portion of the lead 240 may be surrounded by the insulating portion 250 .
  • the insulation unit 250 may include an insulation tape.
  • the insulating part 250 may be located between the terrace 120 of the first case 101 and the second case 102, and in this state, the terrace 120 and the second case 102 are heated to each other. can be fused. In this case, portions of the terrace 120 and the second case 102 may be heat-sealed to the insulating portion 250 . Accordingly, the insulator 250 prevents electricity generated from the electrode assembly 200 from flowing to the battery case 100 through the lead 240 and maintains the sealing of the battery case 100 .
  • the electrolyte is for moving lithium ions generated by the electrochemical reaction of the electrode 101 during charging and discharging of the secondary battery 1, and is a non-aqueous organic electrolyte solution or polymer electrolyte that is a mixture of lithium salt and high-purity organic solvents. It may contain a polymer using. Furthermore, the electrolyte may include a sulfide-based, oxide-based, or polymer-based solid electrolyte, and such a solid electrolyte may have flexibility that is easily deformed by an external force.
  • the pouch film laminate After cutting the pouch film laminate to a size of 266 mm ⁇ 240 mm, it is mounted in a 2-cup molding device equipped with a die and a punch, and molded by lowering the punch at a pressure of 0.5 MPa and a speed of 50 mm / min Drawing was performed to a depth of 9.1 mm to manufacture a battery case including two cup parts.
  • the mold conditions of the two-cup molding device are as shown in [Table 1].
  • a pouch film laminate and a battery case were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the AA8021 aluminum (Al) alloy thin film having a thickness of 80 ⁇ m was used instead of the AA8021 aluminum (Al) alloy thin film having a thickness of 60 ⁇ m.
  • a pouch film laminate and a battery case were manufactured in the same manner as in Example 1, except that drawing was performed so that the molding depth was 6.2 mm.
  • Example 2 In the same manner as in Example 1, except that an AA8021 aluminum (Al) alloy thin film having a thickness of 80 ⁇ m was used instead of an AA8021 aluminum (Al) alloy thin film having a thickness of 60 ⁇ m, and drawing was performed so that the forming depth was 6.2 mm. A pouch film laminate and a battery case were prepared.
  • a film laminate and a battery case were manufactured in the same manner as in Example 1, except that drawing was performed so that the forming depth was 11.5 mm by lowering the punch at a pressure of 0.1 MPa and a speed of 50 mm/min.
  • a pouch film laminate and a battery case were manufactured in the same manner as in Example 1, except that a 40 ⁇ m thick AA8021 aluminum (Al) alloy thin film was used instead of a 60 ⁇ m thick AA8021 aluminum (Al) alloy thin film.
  • Example 2 In the same manner as in Example 1, except that an AA8021 aluminum (Al) alloy thin film having a thickness of 40 ⁇ m was used instead of an AA8021 aluminum (Al) alloy thin film having a thickness of 60 ⁇ m, and drawing was performed so that the forming depth was 6.2 mm. A pouch film laminate and a battery case were prepared.
  • Example 2 In the same manner as in Example 1, except that an AA8021 aluminum (Al) alloy thin film having a thickness of 40 ⁇ m was used instead of an AA8021 aluminum (Al) alloy thin film having a thickness of 60 ⁇ m, and drawing was performed so that the forming depth was 11.5 mm. A pouch film laminate and a battery case were prepared.
  • a pouch film laminate and a battery case were manufactured in the same manner as in Example 1, except that drawing was performed so that the molding depth was 11.5 mm.
  • Samples were prepared by cutting the corners of the battery cases prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 at 45 degrees between the cup parts, that is, in the direction of the folding part.
  • 5 shows the cutting position of the battery case. Then, the cut cross-section of the sample was observed to measure the thickness of the gas barrier layer at the corner where the bottom surface and the circumferential surface of the cup portion contact each other, and the thickness of the gas barrier layer at the corner portion after cup molding relative to the thickness of the gas barrier layer before molding. The percentage of the ratio of was expressed as the residual rate.
  • 6 shows a cut sample (A) and a cross-sectional photograph (B) of the sample.
  • Example 1 9.1 60 34.2 57
  • Example 2 9.1 80 46.5 58
  • Example 3 6.2 60 44.4 74
  • Example 4 6.2 80 60.2 75
  • Example 5 11.5 60 33.1 55
  • Comparative Example 1 9.1 40 20.6 52
  • Comparative Example 2 6.2 40 27.2 Comparative Example 3 11.5 40 15.8 40 Comparative Example 4 11.5 60 29.4 49
  • Samples were prepared by cutting the cup portion of the battery case manufactured by the methods of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 to have a width ⁇ length of 15 mm ⁇ 80 mm. 7 shows the cutting position (box area) of the battery case. Then, each sample was fixed to a UTM device with a grip gap of 30 mm, and then the tensile strength was measured by pulling at a tensile speed of 50 mm/min to break. The measurement results are shown in the table below.
  • Examples 1 to 4 showed a high cup tensile strength of 200N or more, whereas Comparative Examples 1 and 2 showed a low 200N or less, and in the case of Comparative Examples 3 and 4, right at the start of the test It was fractured, and tensile strength measurement was not possible.
  • FIG. 8 is a photograph of the exterior of the battery case of Example 1
  • FIG. 9 is a photograph of the exterior of the battery case of Example 5.
  • wrinkles are not observed in the battery case of Example 1, but wrinkles are generated in the terrace portion of the battery case of Example 5 molded by adjusting the pressure to a low level.

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Abstract

본 발명은 성형 시 크랙 발생이 적고 외부 충격에 따른 손상이 적은 고강도의 전지 케이스에 관한 것으로, 본 발명의 전지 케이스는, 가스 배리어층, 상기 가스 배리어층의 일면에 배치되는 기재층, 및 상기 가스 배리어층의 타면에 배치되는 실런트층을 포함하는 파우치 필름 적층체로 이루어지고, 전극 조립체를 수용할 수 있도록 만입된 형상을 갖는 적어도 하나 이상의 컵부, 및 상기 컵부의 둘레의 적어도 일부에 위치하는 테라스를 포함하고, 상기 컵부는 바닥면 상기 바닥면을 둘러싼 복수개의 둘레면을 포함하며, 상기 바닥면과 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면이 접하는 코너에서 가스 배리어층 두께가 30㎛ 초과이다.

Description

파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
본 출원은 2021년 12월 24일에 출원된 한국특허출원 제10-2021-0187274호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 파우치형 전지 케이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부 스트레스에 의한 손상이 적은 고강도의 전지 케이스와, 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
통상 이차 전지는 전극 활물질 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극을 제조하고, 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(Electrode Assembly)를 형성한 다음, 전지 케이스에 전극 조립체를 수납하고 전해질 주입 후 실링하는 방법으로 제조된다.
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 유연한 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다.
파우치형 전지 케이스는, 유연성을 가지는 파우치 필름 적층체에 프레스 가공을 수행하여, 전극 조립체를 수용하기 위한 컵부를 형성함으로써 제조된다. 그런 다음, 상기 전지 케이스에 컵부에 전극 조립체를 수납하고 전해액을 주입한 후, 실링부를 실링하여 이차 전지를 제조한다.
이러한 프레스 가공 중에서 드로잉(Drawing) 성형은 프레스 장비에 파우치 필름을 삽입하고 펀치로 파우치 필름 적층체에 압력을 인가하여, 파우치 필름 적층체를 연신시킴으로써 수행된다. 파우치 필름 적층체는 일반적으로 금속 재질의 가스 배리어층 일면에 폴리에틸렌테레프탈레이트 등과 같은 고분자 필름을 적층하고, 타면에 실런트층이 적층된 복수의 층으로 형성된다.
최근 전기 자동차용 배터리나 ESS 배터리와 같이 고용량 전지에 대한 요구가 높아짐에 따라, 더 많은 전극 조립체를 수납할 수 있는 전지 케이스에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라 파우치형 전지 케이스의 컵부 성형 깊이를 증가시키거나, 상부 케이스와 하부 케이스에 각각 컵부를 성형하여 수용 공간의 부피를 증가시키는 2컵 성형 방법이 시도되고 있다. 그러나, 컵부 성형 깊이를 증가시키거나, 2컵 성형을 수행할 경우, 성형 과정에서 파우치 필름 적층체에 부가되는 인장력이 커지기 때문에 크랙이나 핀홀이 쉽게 발생하고, 특히, 연신 시 응력이 집중되는 컵부 하단 코너에서 크랙이나 핀홀 발생이 증가한다는 문제점이 있다. 이와 같이 크랙이나 핀홀이 발생하면 외부 충격에 취약해져 전지 케이스가 쉽게 손상되어 전지 안전성이 저하된다.
한국공개특허 10-2015-0130002호(특허문헌 1)에는 이차 전지용 케이스 제조 시에 컵부(수납부) 엣지에 추가 부재를 접합하거나, 연신 압력을 달리하여 컵부 엣지의 배리어층 두께를 두껍게 형성함으로써 고성형 시에도 크랙이나 핀홀을 억제할 수 있는 이차 전지용 케이스가 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 컵부 엣지에 추가 부재를 접합할 경우, 성형 시 연신성이 떨어지고, 추가 부재 접합으로 인해 단차가 발생하거나, 실런트층이나 기재층의 두께가 불균일해지게 되어 실링 내구성 및 절연성 등에 악영향을 미치게 된다. 또한, 추가 부재 접합 시 파우치 필름 적층체의 두께가 불균일해져 권취가 어렵다는 문제점도 있다. 한편, 컵부 엣지의 두께를 두껍게 하기 위해 성형 압력을 조절할 경우, 연신이 불균일하게 일어나 성형 후 주름이 발생하게 되며, 이로 인해 외관 및 실링 품질에 악영향을 미칠 수 있다.
따라서, 성형성, 실링성 및 절연성을 저하시키지 않으면서도 컵부 코너부의 크랙 발생을 최소화할 수 있는 파우치형 전지 케이스의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 컵부의 코너 크랙 발생을 최소화할 수 있는 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하고자 한다.
일 측면에서, 본 발명은, 가스 배리어층, 상기 가스 배리어층의 일면에 배치되는 기재층, 및 상기 가스 배리어층의 타면에 배치되는 실런트층을 포함하는 파우치 필름 적층체로 이루어진 파우치형 전지 케이스이며, 상기 전지 케이스는, 전극 조립체를 수용할 수 있도록 만입된 형상을 갖는 적어도 하나 이상의 컵부; 및 상기 컵부의 둘레의 적어도 일부에 위치하는 테라스;를 포함하고, 상기 컵부는 바닥면 상기 바닥면을 둘러싼 복수개의 둘레면을 포함하며, 상기 바닥면과 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면이 접하는 코너에서 가스 배리어층 두께가 30㎛ 초과, 바람직하게는 30㎛ 초과 70㎛ 이하, 더 바람직하게는 30㎛ 초과 60㎛ 이하인 파우치형 전지 케이스를 제공한다.
상기 코너에서 가스 배리어층 두께는 상기 테라스에서 가스 배리어층 두께의 50% 내지 70%, 바람직하게는 50% 내지 65%, 더 바람직하게는 55% 내지 65%일 수 있다.
상기 코너의 곡률 반경은 0.5 내지 5.0mm, 바람직하게는 1.0 내지 4.0mm, 더 바람직하게는 2.0 내지 3.5mm일 수 있다.
상기 전지 케이스는, 2개의 컵부를 포함하고, 상기 2개의 컵부 사이에 형성된 폴딩부를 포함하는 것일 수 있다.
상기 테라스에서 가스 배리어층 두께는 60㎛ 이상, 바람직하게는 60㎛ 내지 100㎛, 더 바람직하게는 60㎛ 내지 80㎛ 일 수 있다.
상기 컵부 깊이가 5.0mm 이상, 바람직하게는 5.0 내지 20mm, 더 바람직하게는 6.5mm 내지 20mm일 수 있다.
상기 컵부의 인장 강도는 200N 이상, 바람직하게는 200N 내지 300N, 더 바람직하게는 210N 내지 260N일 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은, 양극, 분리막, 음극이 적층되어 형성되는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수납하는 파우치형 전지 케이스를 포함하되, 상기 전지 케이스가 상기 본 발명에 따른 파우치형 전지 케이스인 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 전지 케이스는, 가스 배리어층 두께가 60㎛ 이상으로 두꺼운 파우치 필름 적층체를 이용하여 컵 성형 후 컵부의 코너에서 가스 배리어층의 잔존 두께가 30㎛를 초과하도록 두껍게 형성될 수 있도록 함으로써, 연신 조건이 가혹한 경우에도 컵부 코너에서 크랙 또는 핀홀과 같은 균열 발생을 효과적으로 억제할 수 있도록 하였다. 이와 같이 본 발명의 전지 케이스는 컵부 코너의 크랙이나 핀홀이 적기 때문에 물류 공정이나 충방전 시에 발생하는 외부 충격에 대한 저항성이 높아 전지 케이스 손상에 따른 전해질 누설, 수분 침투 등이 방지할 수 있어 전지 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지 케이스는 컵부 코너에서의 가스 배리어층의 두께를 미성형 영역인 테라스의 가스 배리어층 두께의 50% 내지 70%가 되도록 충분히 연신함으로써 컵부 깊이를 깊게 형성할 수 있고, 이에 따라 전극 조립체의 수용 공간의 부피를 증가시킬 수 있어 고 에너지 밀도를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전지 케이스를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 A의 부분 확대도이다.
도 4는 본 발명의 파우치 필름 적층체를 도시한 단면도이다.
도 5는 실험예 1에서의 전지 케이스의 절단 위치를 나타낸 도면이다.
도 6은 실험예 1의 절단된 샘플과 샘플 단면 사진이다.
도 7은 실험예 3의 인장 강도 측정용 샘플 제조를 위해 전지 케이스를 재단 위치를 나타낸 도면이다.
도 8은 실시예 1의 전지 케이스의 외관을 촬영한 사진이다.
도 9는 비교예 5의 전지 케이스의 외관을 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 발명자들은 전지 조립체의 수용 공간이 넓어 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있고, 물류 공정이나 충방전 과정에서 발생하는 외부 스트레스(stress)로 인한 손상, 특히 취약부인 컵부 코너에서의 손상을 억제할 수 있는 전지 케이스를 제조하기 위해 연구를 거듭한 결과, 컵 성형 후 컵부 코너의 가스 배리어층의 잔존 두께가 30㎛를 초과하도록 전지 케이스를 형성할 경우, 상기와 같은 목적을 달성할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지(1)의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전지 케이스를 도시한 도면이다. 또한, 도 3에는 도 1 및 도 2의 A 부분을 확대한 부분 확대도이며, 도 4는 본 발명의 전지 케이스를 제조하기 위한 파우치 필름 적층체의 일 구현예를 도시한 도면이다. 이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지(1)는, 파우치형 전지 케이스(100)(이하, '전지 케이스') 및 상기 전지 케이스(100)에 수용된 전극 조립체(200)를 포함할 수 있다.
파우치형 전지 케이스(100)는 유연성을 가지는 파우치 필름 적층체를 프레스 성형 장치에 삽입하고, 상기 파우치 필름 적층체의 일부 영역에 펀치로 압력을 가하여 연신시킴으로써 만입된 형상의 컵부를 형성하는 방법으로 제조된다.
이때, 상기 파우치 필름 적층체는, 도 4에 도시된 바와 같이, 가스 배리어층(20), 상기 가스 배리어층(20)의 일면에 배치되는 기재층(10), 및 상기 가스 배리어층(20)의 타면에 배치되는 실런트층(30)을 포함한다.
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명에서 사용되는 파우치 필름 적층체의 각 층에 대해 구체적으로 설명한다.
기재층
기재층(10)은 전지 케이스의 최외층에 배치되어 전극 조립체를 외부 충격으로부터 보호하고 전기적으로 절연시키기 위한 것이다.
상기 기재층(10)은 폴리머 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 및 테프론으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 폴리머 재질로 이루어질 수 있다.
상기 기재층(10)은 단층 구조일 수도 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 서로 다른 폴리머 필름들(12, 14)이 적층된 다층 구조일 수도 있다. 기재층(10)이 다층 구조인 경우, 폴리머 필름들 사이에 접착층(16a)이 개재될 수 있다.
한편, 상기 기재층(10)은 전체 두께가 10㎛ ~ 60㎛, 바람직하게는 20㎛ ~ 50㎛, 더 바람직하게는 30㎛ ~ 50㎛일 수 있다. 기재층이 다층 구조인 경우, 상기 두께는 접착층을 포함하는 두께이다. 기재층(10)가 상기 범위를 만족할 때, 내구성, 절연성 및 성형성이 우수하게 나타난다. 기재층 두께가 너무 얇으면 내구성이 떨어지고, 성형 과정에서 기재층 파손이 발생할 수 있으며, 너무 두꺼우면 성형성이 저하될 수 있고, 파우치 필름 적층체 필름의 전체 두께가 증가하고, 전지 수용 공간이 감소되어 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 기재층(10)은, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PolyEthyleneTerephtalate; PET) 필름과 나일론(Nylon) 필름의 적층 구조일 수 있다. 이때, 상기 나일론 필름이 가스 배리어층(20) 측, 즉, 내측으로 배치되고, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름이 전지 케이스의 표면 측으로 배치되는 것이 바람직하다.
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 내구성 및 전기 절연성이 우수하여 PET 필름이 표면 측에 배치될 때, 내구성 및 절연성이 우수하게 나타난다. 다만, PET 필름의 경우, 가스 배리어층(20)을 구성하는 알루미늄 합금 박막과의 접착성이 약하고, 연신 거동도 상이하기 때문에 PET 필름을 가스 배리어층 측에 배치할 경우, 성형 과정에서 기재층과 가스 배리어층의 박리가 발생할 수 있고, 가스 배리어층이 균일하게 연신되지 않아 성형성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 비해, 나일론 필름은 가스 배리어층(20)을 구성하는 알루미늄 합금 박막과 연신 거동이 유사하기 때문에, 폴리에틸렌테레프탈레이트와 가스 배리어층 사이에 나일론 필름을 배치할 경우 성형성 개선 효과를 얻을 수 있다.
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름은 그 두께가 5㎛ 내지 20㎛, 바람직하게는 5㎛ 내지 15㎛, 더 바람직하게는 7㎛ 내지 15㎛일 수 있으며, 상기 나일론 필름은 그 두께가 10㎛ 내지 40㎛, 바람직하게는 10㎛ 내지 35㎛, 더 바람직하게는 15㎛ 내지 25㎛일 수 있다. 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름과 나일론 필름의 두께가 상기 범위를 만족할 때, 성형성 및 성형 후 강성이 우수하게 나타난다.
가스 배리어층
가스 배리어층(20)은 전지 케이스의 기계적 강도를 확보하고, 이차 전지 외부의 가스 또는 수분 등의 출입을 차단하며, 전해질의 누수를 방지하기 위한 것이다.
상기 가스 배리어층(20)은 그 두께가 60㎛ 이상, 바람직하게는 60㎛ 내지 100㎛, 더 바람직하게는 60㎛ 내지 80㎛일 수 있다. 파우치 필름 적층체의 가스 배리어층의 두께가 60㎛ 이상인 경우, 컵부 성형 깊이를 6.5mm 이상으로 깊게 형성하는 경우에도 컵부 코너에서의 가스 배리어층의 잔존 두께를 30㎛를 초과하도록 형성할 수 있다. 또한, 파우치 필름 적층체의 가스 배리어층 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 성형성이 개선되어 컵부 성형 깊이를 증가시키거나 2컵 성형 시에도 크랙 및/또는 핀홀 발생이 적어 성형 후 외부 스트레스에 대한 저항성이 개선된다. 파우치 필름 적층체의 가스 배리어층 두께가 60㎛ 미만인 경우, 컵부 성형 후 컵부 코너에서의 가스 배리어층 두께를 30㎛ 이상으로 유지하기 위해서는 성형 깊이를 감소시키거나 코너 연신 시에 압력을 감소시켜야 하는데, 성형 깊이가 감소하면 전극 조립체 수용 공간의 부피가 감소하여 고에너지 밀도 구현이 어렵고, 코너 연신 압력을 감소시킬 경우, 연신이 불균일하게 발생하여 주름이 발생할 수 있다.
한편, 상기 가스 배리어층(20)은 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 구체적으로는 알루미늄 합금 박막으로 이루어질 수 있다.
상기 알루미늄 합금 박막은 알루미늄과, 상기 알루미늄 이외의 금속 원소, 예를 들어, 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상이 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 알루미늄 합금 박막은, 철(Fe) 함유량이 1.2wt% 내지 1.7wt%, 바람직하게는 1.3wt% 내지 1.7wt%, 더 바람직하게는 1.3wt% 내지 1.45wt%일 수 있다. 알루미늄 합금 박막 내의 철(Fe) 함유량이 1.2wt% 미만인 경우에는, 알루미늄 합금 박막의 강도가 저하되어 성형 시에 크랙 및 핀홀이 발생할 수 있으며, 1.7wt%를 초과할 경우에는 알루미늄 합금 박막의 유연성이 떨어져 성형성 및 굴곡성 향상에 한계가 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금 박막은 결정립도가 10㎛ 내지 13㎛, 바람직하게는 10.5㎛ ~ 12.5㎛, 더 바람직하게는 11㎛ ~ 12㎛인 알루미늄 합금 박막을 포함한다. 알루미늄 합금 박막의 결정립도가 상기 범위를 만족할 때, 컵 성형 시에 핀 홀(Pinhole)이나 균열 발생 없이 성형 깊이를 증가시킬 수 있다. 알루미늄 합금 박막의 결정립도가 13μm를 초과할 경우, 알루미늄 합금 박막의 강도가 떨어지고, 연신 시에 내부 응력 분산이 어려워 크랙이나 핀홀 발생이 증가하였으며, 결정립도가 10μm 미만인 경우에는 알루미늄 합금 박막의 유연성이 떨어져 성형성 및 굴곡성 향상에 한계가 있다.
상기 결정립도는, 알루미늄 합금 박막의 조성 및 알루미늄 합금 박막의 가공 방법에 따라 달라지며, 알루미늄 합금 박막의 두께 방향 단면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관측하여 측정할 수 있다. 구체적으로는, 본 발명에서는, 주사전자현미경을 이용하여 알루미늄 합금 박막의 두께 방향 단면 SEM 이미지를 획득하고, 상기 SEM 이미지에서 관찰되는 결정립 중 임의의 30개의 결정립의 최대 지름을 측정한 후 이들의 평균값을 결정립도로 평가하였다.
구체적으로는, 상기 알루미늄 합금 박막은 합금번호 AA8021인 알루미늄 합금일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실런트층
실런트층(30)은 열 압착을 통해 접착되어 전지 케이스를 밀봉하기 위한 것으로, 파우치 필름 적층체의 최내층에 위치한다.
실런트층(30)은 전지 케이스로 성형된 후에 전해질 및 전극 조립체와 접촉되는 면이기 때문에 절연성 및 내식성을 가져야 하며, 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다.
상기 실런트층(30)은, 폴리머 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 및 테프론으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있으며, 이 중에서도 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어난 폴리프로필렌(PP)을 포함하는 것이 특히 바람직하다.
보다 구체적으로는 상기 실런트층(30)은, 폴리프로필렌, 무연신 폴리프로필렌(Cast Polypropylene; CPP), 산 변성된 폴리프로필렌(Acid Modified Polypropylene), 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 공중합체 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다.
상기 실런트층(30)은 단일층 구조일 수도 있고, 서로 다른 폴리머 재질로 이루어진 2 이상의 층을 포함하는 다층 구조일 수도 있다.
상기 실런트층은 총 두께가 60㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 60㎛ 내지 90㎛, 더 바람직하게는 70㎛ 내지 90㎛일 수 있다. 실런트층의 두께가 너무 얇으면 실링 내구성 및 절연성이 떨어질 수 있으며, 너무 두꺼우면 굴곡성이 떨어지고 파우치 필름 적층체 총 두께가 증가하여 부피 대비 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
본 발명에 따른 파우치 필름 적층체는 총 두께가 160㎛ 내지 200㎛, 바람직하게는 180㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 파우치 필름 적층체의 두께가 상기 범위를 만족할 때, 파우치 적층체 두께 증가로 인한 전지 수용 공간의 감소, 밀봉 내구성 저하 등을 최소화하면서 성형 깊이를 증가시킬 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 파우치 필름 적층체는, 당해 기술 분야에 알려진 파우치 필름 적층체의 제조 방법을 통해 제조될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 파우치 필름 적층체는, 가스 배리어층(20) 상면에 접착제를 통해 기재층(10)을 부착하고, 상기 가스 배리어층(20)의 하면에 공압출이나 접착제를 통해 실런트층(30)을 형성하는 방법을 통해 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 제조된 파우치 필름 적층체를 성형 장치에 삽입하고, 상기 파우치 필름 적층체의 일부 영역에 펀치로 압력을 가하여 컵부를 형성함으로써 전지 케이스(100)를 제조한다. 이때, 상기 압력은 0.3MPa 내지 1MPa, 바람직하게는 0.3MPa 내지 0.8MPa, 더 바람직하게는 0.4MPa 내지 0.6MPa 정도일 수 있다. 컵부 성형 시 압력이 너무 낮으면 드로잉이 과하게 발생하여 주름이 발생할 수 있고, 너무 높으면 드로잉이 잘 되지 않아 성형 깊이가 낮아질 수 있다.
한편, 상기 펀치의 이동 속도는 20mm/min 내지 80mm/min, 바람직하게는 30mm/min 내지 70mm/min, 더 바람직하게는 40mm/min 내지 60mm/min일 수 있다. 펀치의 이동 속도가 너무 빠르면 컵부(110)의 둘레면(112)이 충분히 연신되지 않아 압축력이 작용하여, 좌굴(buckling)에 의한 주름(wrinkle)이 발생할 수 있으며, 펀치의 이동 속도가 너무 느리면, 성형 시 컵부 코너에 집중되는 응력이 커져서 핀홀이나 크랙 발생이 증가할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 케이스(100)는 만입된 형상을 갖는 컵부(110)와, 컵부(110)의 둘레의 적어도 일부에 위치한 테라스(120)를 포함한다.
상기 컵부(110)는 전극 조립체(200)를 수용하기 위한 수용 공간(B)을 가지며, 상기 테라스(120)는 파우치 필름 적층체에서 성형되지 않은 부분, 즉, 컵부(110)를 제외한 나머지 영역을 의미한다.
도 3을 참조하면, 상기 컵부(110)는 바닥면(111) 및 둘레면(112)을 포함할 수 있다. 둘레면(112)은 바닥면(112)과 테라스(120)를 연결할 수 있다. 둘레면(112)은 복수개, 좀 더 상세히는 4개가 구비될 수 있다.
바닥면(111)은 전극 조립체(200)의 일면을 커버할 수 있고, 둘레면(112)은 전극 조립체(200)의 둘레를 포위할 수 있다.
또한, 컵부(110)는, 둘레면(112)과 테라스(120)가 만나는 제1엣지(113)와, 바닥면(111)과 둘레면(112)이 만나는 제2엣지(114)와, 복수개의 둘레면(112) 중 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면(112)이 만나는 제3엣지(115)를 포함할 수 있다. 각 엣지(113)(114)(115)는 소정의 곡률 반경을 갖도록 라운드지게 형셩될 수 있다.
또한, 컵부(110)는, 복수개의 둘레면(112) 중 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면(112)과 바닥면(111)이 만나는 코너(116)를 포함할 수 있다. 즉, 코너(116)는, 서로 인접한 한 쌍의 제2엣지(114)와 제3엣지(115)가 중첩되는 부분일 수 있다. 상기 코너(116)는 소정의 곡률 반경을 가질 수 있다.
컵부(110)의 둘레면(112)이 4개 구비되므로, 각 엣지(113)(114)(115) 및 코너(116)도 각각 4개가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 전지 케이스에 있어서, 상기 코너(116) 부분의 가스 배리어층 두께가 30㎛ 초과, 바람직하게는 30㎛ 초과 70㎛ 이하, 더 바람직하게는 30㎛ 초과 60㎛이하이다,
코너(116)는 컵부 성형 시 연신 응력이 집중되는 부분으로 연신이 가장 많이 일어나기 때문에 다른 부분에 비해 더 얇게 형성되고, 크랙이나 핀홀 발생도 가장 많아 외부 충격에 가장 취약하다. 특히, 2컵 성형 시에는 근접한 거리에서 2개의 펀치에 의해 압력이 가해지기 때문에 코너에 집중되는 응력이 더욱 증가하여 이러한 문제점이 더욱 심화되는 경향이 있다. 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 컵부의 코너(116) 부분의 가스 배리어층 두께가 30㎛를 초과하도록 두껍게 형성함으로써 크랙 발생을 억제하고 외부 충격에 따른 손상을 최소화할 수 있도록 하였다.
한편, 상기 코너(116)에서 상기 가스 배리어층 두께는 상기 테라스(120)에서 상기 가스 배리어층 두께의 50% 내지 70%, 바람직하게는 50% 내지 65%, 더 바람직하게는 55% 내지 65%일 수 있다. 코너(116)의 가스 배리어층 두께가 미성형된 영역인 테라스(120)에서의 가스 배리어층 두께의 50% 미만이 되도록 연신할 경우, 코너(116)에서의 연신이 과도하게 일어나 크랙 발생이 증가하고, 70%를 초과하는 경우에는 컵부의 수용 공간(B) 부피가 감소하여 전지의 에너지 밀도가 감소한다.
한편, 테라스(120)는 성형이 수행되지 않은 영역이므로, 이 부분에서의 가스 배리어층 두께는 성형 전 파우치 필름 적층체의 가스 배리어층의 두께와 거의 동일하다. 따라서, 상기 테라스(120)에서의 가스 배리어층 두께는 60㎛ 이상, 바람직하게는 60㎛ 내지 100㎛, 더 바람직하게는 60㎛ 내지 80㎛일 수 있다.
한편, 코너(116)의 곡률 반경은, 0.5 내지 5.0mm, 바람직하게는 1.0 내지 4.0mm, 더 바람직하게는 2.0 내지 3.5mm 로 형성될 수 있다. 코너(116)의 곡률 반경은, 코너(116)의 내면에 대한 곡률 반경일 수 있다. 코너(116)의 곡률 반경이 너무 작으면 코너에서 가스 배리어층의 두께를 30㎛ 이상으로 유지하기 어렵고, 곡률 반경이 너무 크면 컵부의 수용공간이 감소하여 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
구체적으로는 제1엣지(113)와 제2엣지(114) 간 클리어런스(CL)는 2mm 이하, 바람직하게는 0.3mm 내지 1mm일 수 있다. 클리어런스가 상기 범위를 만족할 경우, 컵부(110) 내에서 빈 공간이 더욱 줄어들게 되므로 이차 전지의 에너지 밀도가 향상되고, 이차 전지의 외관이 더욱 개선될 수 있다. 이 때, 상기 클리어런스(CL)는, 제1엣지(113)와 둘레면(112)의 경계점을 수직하게 통과하는 가상의 제1수직선과, 제2엣지(114)와 둘레면(112)의 경계점을 수직하게 통과하는 가상의 제2수직선 간 거리를 의미할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지 케이스(100)는, 하부 케이스(101), 상부 케이스(102) 및 상기 하부 케이스와 하부 케이스를 연결하는 폴딩부(130)을 포함할 수 있다.
구체적으로는, 본 발명에 따른 전지 케이스(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 하부 케이스(101)와 상부 케이스(102) 각각에 컵부(110)가 형성되어 2개의 컵부를 포함하는 2컵 형태의 전지 케이스일 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 케이스(101)에만 컵부(110)가 형성된 1컵 형태의 전지 케이스일 수도 있다. 2컵 형태의 전지 케이스의 경우, 전극 조립체 및 전해질 수용 후, 상부 케이스의 컵부와 하부 케이스의 컵부가 서로 마주보도록 상부 케이스를 폴딩하기 때문에 1컵 형태의 전지 케이스에 비해 두께가 더 두꺼운 전극 조립체를 수용할 수 있고, 이에 따라 고 에너지 밀도 구현에 유리하다는 장점이 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 컵부 깊이는 5.0mm 이상, 바람직하게는 5.0 내지 20mm, 더 바람직하게는 6.5mm 내지 20mm 일 수 있다. 보다 구체적으로는. 1컵 형태의 전지 케이스인 경우에는 컵부 깊이가 7.0 내지 17mm, 바람직하게는 9.0 내지 15mm일 수 있으며, 2컵 형태의 전지 케이스인 경우에는 각각의 컵부 깊이가 5.0 내지 12mm, 바람직하게는 6mm 내지 10mm, 더 바람직하게는 7mm 내지 10mm일 수 있다.
컵부 깊이가 6.5mm 미만인 경우에는 전극 조립체 수용 공간(B)의 부피가 작아 고에너지 밀도를 달성하기 어렵다. 한편, 컵부 깊이가 증가하면 에너지 밀도 측면에서는 유리하지만 컵부 성형 과정에서 크랙이나 핀홀이 발생하여 전지 안전성이 떨어질 수 있다.
한편, 상기 폴딩부(130)는 하부 케이스(101)와 상부 케이스(102)를 연결하고, 컵부(110)에 전극 조립체(200)를 수납하고, 전해액을 주입한 후에 접혀서 상부 케이스(102)가 하부 케이스(101)의 컵부(110)를 밀봉할 수 있게 한다. 폴딩부(130)을 포함될 경우, 하부 케이스(101)와 상부 케이스(102)가 일체로 연결되므로, 추후 실링 공정을 수행할 때, 실링할 사이드 개수가 감소하여 공정성이 향상되는 효과가 있다.
상기 폴딩부(130)은 컵부(110)와 이격되어 형성되며, 상기 폴딩부(130)와 컵부(110)의 이격 거리는 0.5mm 내지 3mm, 바람직하게는 0.5mm 내지 2mm 정도일 수 있다. 폴딩부(130)가 컵부(110)에 너무 가깝게 형성되면 폴딩이 원활하게 수행되지 않으며, 폴딩부(130)가 컵부(110)와 너무 멀게 형성되면 이차 전지의 전체 부피가 증가하여 부피 대비 에너지 밀도가 감소할 수 있다. 2컵 케이스의 경우, 상기 폴딩부는 각각의 컵부에 대해 상기 이격 거리를 만족하도록 형성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 전지 케이스는 전극 조립체의 수용 공간이 넓어 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있고, 컵부의 강성이 우수하여 물류 공정이나 충방전 과정에서 발생하는 외부 스트레스(stress)로 인한 손상을 최소화할 수 있다. 구체적으로는, 본 발명에 따른 전지 케이스는, 컵부의 인장 강도가 200N 이상, 바람직하게는 200N 내지 300N, 더 바람직하게는 210N 내지 260N으로 높아 외부 충격에 대한 저항성이 우수하다. 이때, 상기 컵부의 인장 강도는 전지 케이스의 컵부를 폭 × 길이가 15mm × 80mm이 되도록 재단하여 샘플을 제조한 후, 상기 샘플을 UTM 장치에 그립 갭(Grip gap) 30mm로 고정시키고, 50mm/min의 인장 속도로 잡아당겼을 때 파단이 발생되는 강도를 의미한다.
상기와 같은 전지 케이스(100)에 전극 조립체(200)를 수납하고, 전해액을 주입한 후, 폴딩부(130)를 접어 상부 케이스(102)가 하부 케이스(101)의 상부에 위치하도록 한 후, 테라스(120)를 실링하여 이차 전지를 제조한다.
전극 조립체(200)는, 교대로 적층된 복수개의 전극 및 복수개의 분리막을 포함할 수 있다. 복수개의 전극은 분리막을 사이에 두고 번갈아 적층되며 서로 반대 극성을 갖는 양극 및 음극을 포함할 수 있다.
또한, 전극 조립체(200)에는 서로 용접된 복수개의 전극 탭(230)이 구비될 수 있다. 복수개의 전극 탭(230)은 복수개의 전극(210)에 연결될 수 있으며, 전극 조립체(200)로부터 외부로 돌출되어, 전극 조립체(200)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 통로로 작용할 수 있다. 복수개의 전극 탭(230)은 전지 케이스(100)의 내부에 위치할 수 있다.
양극에 연결된 전극 탭(230)과 음극에 연결된 전극 탭(230)은 전극 조립체(200)에 대해 서로 다른 방향으로 돌출될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 양극에 연결된 전극 탭(230)과 음극에 연결된 전극 탭(230)이 서로 나란하게 동일 방향으로 돌출되는 것도 가능하다.
복수개의 전극 탭(230)에는 이차 전지의 외부로 전기를 공급하는 리드(240)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결될 수 있다. 리드(240)는 일단은 복수개의 전극 탭(230)과 연결되고 타단은 전지 케이스(100)의 외부로 돌출될 수 있다.
리드(240)의 일부는 절연부(250)로 주위가 포위될 수 있다. 예를 들어, 절연부(250)는 절연 테이프를 포함할 수 있다. 상기 절연부(250)는 제1케이스(101)의 테라스(120)와 제2케이스(102)의 사이에 위치할 수 있고, 이러한 상태에서 테라스(120)와 제2케이스(102)는 서로 열 융착될 수 있다. 이 경우, 테라스(120) 및 제2케이스(102)의 일부는 절연부(250)와 열 융착될 수 있다. 따라서, 절연부(250)는 전극 조립체(200)로부터 생성되는 전기가 리드(240)를 통해 전지 케이스(100)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(100)의 실링을 유지시킬 수 있다.
전해질은 이차 전지(1)의 충, 방전 시 전극(101)의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것으로, 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머를 포함할 수 있다. 나아가, 전해질은 황화물계, 산화물계 또는 폴리머계의 고체 전해질을 포함할 수도 있고, 이러한 고체 전해질은 외력에 의해 쉽게 변형되는 유연성을 가질 수도 있다.
이하 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
실시예 1
두께 60㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막(제조사:삼아알미늄)의 일면에, 두께 25㎛의 나일론 필름(상품명: Nylon 6 제조사: 효성)과 두께 12㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름(제조사: 효성)을 우레탄 접착제를 사용하여 드라이 라미네이션 방식으로 적층하여 기재층을 형성하였다. 다음으로, 상기 알루미늄 합금 박막의 타면에 산 변성된 폴리프로필렌(PPa) 및 폴리프로필렌을 공압출하여 80㎛ 두께의 실런트층을 형성하여 파우치 필름 적층체를 제조하였다.
상기 파우치 필름 적층체를 266mm Х 240mm 의 크기로 재단한 후, 다이(Die)와 펀치(Punch)를 구비한 2컵 성형 장치에서 장착하고, 압력 0.5MPa, 속도 50mm/min로 펀치를 하강시켜 성형 깊이가 9.1mm이 되도록 드로잉 성형을 수행하여 2개의 컵부를 포함하는 전지 케이스를 제조하였다. 이때, 2컵 성형 장치의 금형 조건은 하기 [표 1]에 나타난 바와 같다.
엣지 곡률(mm) 펀치(코너) 0.5(3.5)
다이 1.0
브릿지 1.0
코너 곡률(mm) 펀치 2.0
다이 2.5
클리어런스(clearance)(mm) 브릿지 측 0.35
사이드 측 0.5
브릿지(mm) 폭 2.0
크기(mm) 펀치 61×159×2
다이 62×160×2
실시예 2
두께 60㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막 대신 두께 80㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막 사용한 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체 및 전지 케이스를 제조하였다.
실시예 3
성형 깊이가 6.2mm가 되도록 드로잉 성형을 수행한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체 및 전지 케이스를 제조하였다.
실시예 4
두께 60㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막 대신 두께 80㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막 사용하고, 성형 깊이가 6.2mm가 되도록 드로잉 성형을 수행한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체 및 전지 케이스를 제조하였다.
실시예 5
압력 0.1MPa, 속도 50mm/min로 펀치를 하강시켜 성형 깊이가 11.5mm가 되도록 드로잉 성형을 수행한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 필름 적층체 및 전지 케이스를 제조하였다.
비교예 1
두께 60㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막 대신 두께 40㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막 사용한 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체 및 전지 케이스를 제조하였다.
비교예 2
두께 60㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막 대신 두께 40㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막 사용하고, 성형 깊이가 6.2mm가 되도록 드로잉 성형을 수행한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체 및 전지 케이스를 제조하였다.
비교예 3
두께 60㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막 대신 두께 40㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막 사용하고, 성형 깊이가 11.5mm가 되도록 드로잉 성형을 수행한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체 및 전지 케이스를 제조하였다.
비교예 4
성형 깊이가 11.5mm가 되도록 드로잉 성형을 수행한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체 및 전지 케이스를 제조하였다.
실험예 1
실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 4에서 제조된 전지 케이스의 컵부들 사이, 즉 폴딩부 방향의 코너를 45도로 절단하여 샘플을 제조하였다. 도 5에 전지 케이스의 절단 위치를 도시하였다. 그런 다음, 상기 샘플의 절단된 단면을 관찰하여 컵부의 바닥면과 둘레면이 접하는 코너에서의 가스 배리어층 두께를 측정하고, 성형 전 가스 배리어층 두께에 대한 상기 컵 성형 후 코너부의 가스 배리어층 두께의 비의 백분율을 잔존율로 나타내었다. 도 6에 절단된 샘플(A)과, 상기 샘플의 단면 사진(B)이 도시하였다.
측정 결과는 하기 [표 2]에 나타내었다.
성형깊이(mm) 성형 전 가스 배리어층 두께(㎛) 컵부 코너의 가스 배리어층 두께(㎛) 잔존율(%)
실시예 1 9.1 60 34.2 57
실시예 2 9.1 80 46.5 58
실시예 3 6.2 60 44.4 74
실시예 4 6.2 80 60.2 75
실시예 5 11.5 60 33.1 55
비교예 1 9.1 40 20.6 52
비교예 2 6.2 40 27.2 68
비교예 3 11.5 40 15.8 40
비교예 4 11.5 60 29.4 49
실험예 2: 크랙 발생 평가
실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 4의 방법으로 각각 10개씩의 전지 케이스를 제조한 후, 각각의 전지 케이스의 컵부의 4개의 모서리부를 LED 조명으로 비춰 크랙 발생 여부를 육안으로 확인하였다. 10개 중 크랙이 발생한 전지 케이스의 개수가 2개 이하인 경우를 OK로 크랙이 발생한 전지 케이스의 개수가 3개 이상인 경우를 NG로 표시하였다. 측정 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
실험예 3: 인장 강도 측정
실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 4의 방법으로 제조된 전지 케이스의 컵부를 폭 × 길이가 15mm × 80mm이 되도록 재단하여 샘플을 제조하였다. 도 7에는 전지 케이스의 재단 위치(박스 영역)가 도시되어 있다. 그런 다음, 각각의 샘플을 UTM 장치에 그립 갭(Grip gap) 30mm로 고정시킨 후, 50mm/min의 인장 속도로 잡아당겨 파단이 발생되는 강도를 인장 강도로 측정하였다. 측정 결과는 하기 표에 나타내었다.
크랙 평가 인장 강도(N)
실시예 1 OK 225
실시예 2 OK 234
실시예 3 OK 231
실시예 4 OK 247
실시예 5 OK 225
비교예 1 NG 140
비교예 2 NG 178
비교예 3 NG 측정 불가
비교예 4 NG 측정 불가
상기 [표 3]을 통해 컵부 코너의 가스 배리어층 두께가 30㎛를 초과하는 실시예 1 ~ 4의 전지 케이스는 코너 크랙 발생이 적은 반면, 가스 배리어층 두께가 30㎛ 이하인 비교예 1 ~ 4의 전지 케이스는 코너 크랙 발생이 높게 나타났다.
또한, 실시예 1 ~ 4의 전지 케이스는 컵부 인장 강도가 200N 이상으로 높게 나타난 반면, 비교예 1 및 2는 200N 이하로 낮게 나타났으며, 비교예 3 및 비교예 4의 경우, 시험 시작 시 바로 파단되어 인장 강도 측정이 불가능하였다.
실험예 4
실시예 1 및 실시예 5에 의해 제조된 전지 케이스의 외관을 관찰하였다. 도 8는 실시예 1의 전지 케이스의 외관을 촬영한 사진이며, 도 9는 실시예 5의 전지 케이스의 외관을 촬영한 사진이다.
도 8 및 도 9에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 전지 케이스에서는 주름이 관찰되지 않으나, 압력을 낮게 조절하여 성형된 실시예 5의 전지 케이스는 테라스 부분에 주름이 발생하였음을 확인할 수 있다.
<부호의 설명>
1: 이차 전지
10: 기재층
20: 가스 배리어층
30: 실런트층
100: 전지 케이스
101: 하부 케이스
102: 상부 케이스
110: 컵부
120: 테라스
130: 폴딩부
200: 전극 조립체

Claims (17)

  1. 가스 배리어층, 상기 가스 배리어층의 일면에 배치되는 기재층, 및 상기 가스 배리어층의 타면에 배치되는 실런트층을 포함하는 파우치 필름 적층체로 이루어진 파우치형 전지 케이스이며,
    상기 전지 케이스는, 전극 조립체를 수용할 수 있도록 만입된 형상을 갖는 적어도 하나 이상의 컵부; 및 상기 컵부의 둘레의 적어도 일부에 위치하는 테라스;를 포함하고,
    상기 컵부는 바닥면 상기 바닥면을 둘러싼 복수개의 둘레면을 포함하며,
    상기 바닥면과 서로 이웃한 한 쌍의 둘레면이 접하는 코너에서 가스 배리어층 두께가 30㎛ 초과인 파우치형 전지 케이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코너에서 상기 가스 배리어층 두께는 상기 테라스에서 상기 가스 배리어층 두께의 50% 내지 70%인 파우치형 전지 케이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 테라스에서 가스 배리어층 두께는 60㎛ 이상인 파우치형 전지 케이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코너의 곡률 반경이 0.5 내지 5.0mm인 파우치형 전지 케이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스는, 상기 컵부가 형성된 하부 케이스; 상기 하부 케이스의 상부로 폴딩되어 상기 컵부를 밀봉하는 상부 케이스; 및 상기 상부 케이스와 하부 케이스를 연결하는 폴딩부를 포함하는 것인 파우치형 전지 케이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴딩부와 상기 컵부의 이격 거리가 0.5mm 내지 3mm인 파우치형 전지 케이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 상부 케이스에 컵부가 형성된 파우치형 전지 케이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 컵부 깊이가 5.0mm 이상인 파우치형 전지 케이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 컵부의 인장 강도가 200N 이상인 파우치형 전지 케이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기재층은 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름과 나일론 필름의 적층 구조인 파우치형 전지 케이스.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름의 두께가 5㎛ 내지 20㎛이고,
    상기 나일론 필름의 두께가 10㎛ 내지 30㎛인 파우치형 전지 케이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배리어층은 알루미늄 합금 박막을 포함하는 파우치형 전지 케이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 박막은 철을 1.2 wt% 내지 1.7 wt%로 포함하는 파우치형 전지 케이스.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 박막은 결정립도가 10㎛ 내지 13㎛인 파우치형 전지 케이스.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 실런트층은 그 두께가 60㎛ 내지 100㎛인 파우치형 전지 케이스.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 실런트층은 폴리프로필렌, 무연신 폴리프로필렌, 산 변성된 폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 공중합체 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 파우치형 전지 케이스.
  17. 양극, 분리막, 음극이 적층되어 형성되는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 수납하는 파우치형 전지 케이스를 포함하되, 상기 전지 케이스가 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항의 파우치형 전지 케이스인 이차 전지.
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