WO2023121364A1 - 파우치 필름 적층체 및 이를 이용하여 제조된 전지 케이스 - Google Patents

파우치 필름 적층체 및 이를 이용하여 제조된 전지 케이스 Download PDF

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WO2023121364A1
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pouch film
pouch
battery case
gas barrier
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황수지
송대웅
김상훈
유형균
강민형
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 film laminate and a battery case manufactured using the same, and more particularly, to a pouch film laminate having excellent moldability and less curling after molding and a battery case manufactured using 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.
  • the pouch type an electrode assembly is accommodated in a pouch made of a flexible polymer material.
  • the can type accommodates the electrode assembly in a case made of a material such as metal or plastic.
  • a pouch-type battery case is manufactured by forming a cup portion by performing press processing on a flexible pouch film laminate. Then, when the cup portion is formed, the secondary battery is manufactured by accommodating the electrode assembly in the receiving space of the cup portion and sealing the sealing portion.
  • 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.
  • the present invention is to solve the above problems, to provide a pouch film laminate that can form a deep cup molding depth due to excellent draw formability and less curling after molding, and a battery case manufactured using the same. do.
  • the present invention is a pouch comprising 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, and having a loop stiffness in the MD direction of 750 mN to 1300 mN.
  • a film laminate is provided.
  • the loop stiffness of the pouch film laminate in the TD direction may be 750 mN to 1300 mN, and the ratio of the loop stiffness in the TD direction to the loop stiffness in the MD direction may be 0.8 to 1.2.
  • the base layer may have a MD direction breaking strength of 10 N/15 mm to 18 N/15 mm.
  • the base layer may be a laminate of a polyethylene terephthalate film and a nylon film, wherein the polyethylene terephthalate film has a thickness of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, and the nylon film has a thickness of 10 ⁇ m. to 30 ⁇ m.
  • the gas barrier layer may have a thickness of 50 ⁇ m to 100 ⁇ m and may include an aluminum alloy thin film.
  • the aluminum alloy thin film may include 1.2 wt% to 1.7 wt% of iron, and may have a crystal grain size of 10 ⁇ m to 13 ⁇ m.
  • the sealant layer may have a thickness of 60 ⁇ m to 100 ⁇ m, and may include unstretched polypropylene, acid-treated polypropylene, a polypropylene-butylene-ethylene copolymer, or a combination thereof.
  • the present invention provides a battery case manufactured by drawing molding the above-described pouch film laminate of the present invention, including a cup portion having a depth of 10 mm or more, and having a curl height of 25 mm or less.
  • the limit molding depth is large during cup molding, the angle of the cup portion can be formed with a large slope, and the occurrence of curl after cup molding is small. Therefore, when the pouch film laminate according to the present invention is used, a battery case having a large accommodation volume of the electrode assembly and less curl can be manufactured.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a pouch film laminate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a method for measuring loop stiffness.
  • FIG. 3 is a view showing a battery case according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a battery case according to another embodiment of the present invention.
  • MD direction Machine Direction
  • TD direction Transverse Direction
  • the inventors of the present invention have studied to manufacture a battery case in which the accommodation space of the battery assembly is wide and high energy density can be realized and there is little curling after cup molding and there are few process defects.
  • manufacturing a battery case using a sieve it was found that the above object can be achieved and the present invention was completed.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a pouch film laminate according to the present invention.
  • the pouch film laminate according to the present invention will be described with reference to FIG. 1 .
  • a pouch film laminate 1 includes a gas barrier layer 20, a substrate layer 10 disposed on one surface of the gas barrier layer, and disposed on the other surface of the gas barrier layer. and a sealant layer 30, wherein the pouch film laminate has a roof stiffness of 750 mN to 1300 mN, preferably 800 mN to 1200 mN, and more preferably 800 mN to 1000 mN. to be
  • the cup portion When the loop stiffness in the MD direction of the pouch film laminate 1 satisfies 750 mN to 1300 mN, the cup portion can be formed deeply due to excellent drawing formability, and the clearance required during cup portion molding is small to reduce the wall inclination. It can be formed sharp and has excellent curling resistance after molding.
  • the loop stiffness in the MD direction of the pouch film laminate is less than 750 mN, there is a limit in increasing the accommodation volume of the cup portion due to poor draw formability, and when the loop stiffness in the MD direction exceeds 1300 mN, curl is severe after cup molding. can happen If the volume of the cup part is small, high energy density cannot be realized due to the small number of battery assemblies that can be accommodated. If curl occurs after cup molding, vacuum breakage occurs during pouch transfer for the battery assembly process and/or during the degas sealing process. In this case, problems such as wrinkles may occur in the battery case.
  • the ratio of the loop stiffness in the TD direction to the loop stiffness in the MD direction may be 0.8 to 1.2, preferably 0.9 to 1.1.
  • the ratio of the loop stiffness in the TD direction to the loop stiffness in the MD direction of the pouch film laminate satisfies the above range, damage or wrinkles may be suppressed during cup molding.
  • the TD direction loop stiffness of the pouch film laminate of the present invention preferably satisfies 750 mN to 1300 mN, preferably 800 mN to 1200 mN, and more preferably 800 mN to 1000 mN.
  • the loop stiffness in the TD direction satisfies the above range, the draw formability is excellent, curl generation after cup molding can be effectively suppressed, and the difference with the loop stiffness in the MD direction is not large, so damage or wrinkles after molding can be suppressed.
  • FIG. 2 shows a process for measuring the loop stiffness of the pouch film laminate of the present invention.
  • a sample for measurement is prepared by cutting the pouch film laminate to have a width ⁇ length of 15 mm ⁇ 150 mm. If you want to measure the loop stiffness in the MD direction (Machine Direction), cut the MD direction and the width direction of the sample for measurement to match, and if you want to measure the loop stiffness in the TD direction (Transverse Direction), Cut so that the width direction of the sample for measurement matches.
  • both ends of the sample for measurement were fixed by being inserted into clips of a measuring device, and as shown in FIG. 2(c), the sample for measurement was moved in a loop shape by moving the clip. transform into
  • the maximum load value applied to the loop deformation is measured, and this value is used as the loop stiffness value.
  • the loop stiffness of the pouch film laminate is affected by the thickness and material of each layer (ie, substrate layer, gas barrier layer, sealant layer) constituting the pouch film laminate, each layer constituting the pouch film laminate It is possible to manufacture a pouch film laminate having a desired loop stiffness by adjusting the thickness, material, and the like.
  • the gas barrier layer is formed of a soft aluminum thin film (ex. AA8021) having a high elongation rate
  • the gas barrier layer is formed thick to 50 ⁇ m to 100 ⁇ m
  • the base layer has a breaking strength in the MD direction of 10 N / 15 mm to 10 N / 15 mm.
  • a pouch film laminate that satisfies the loop rigidity of the present invention can be manufactured by being composed of a film or film laminate having a thickness of 18 N/15 mm.
  • the manufacturing method of the pouch film laminate satisfying the loop stiffness value of the present invention is not limited thereto.
  • 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. 1 , may have 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 5 ⁇ m to 60 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m to 50 ⁇ m, and more preferably 20 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the thickness is a thickness including the thickness of the adhesive layer interposed between the films.
  • the adhesive layer may have a thickness of 1 to 10 ⁇ m, preferably 1 to 7 ⁇ m, and more preferably 1 to 4 ⁇ m.
  • 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 As a result, the energy density may decrease.
  • the base layer may have a breaking strength in the MD direction of about 10 N/mm to about 18 N/mm, preferably about 10 N/mm to about 15 N/mm.
  • the breaking strength of the base layer in the MD direction satisfies the above range, the MD direction loop stiffness value required in the present invention can be easily implemented. If the breaking strength of the base layer is too small in the MD direction, the loop rigidity of the pouch film laminate in the MD direction is reduced, and if it is too large, the loop rigidity in the MD direction of the pouch film laminate is too large.
  • the MD direction breaking strength of the base layer is the strength at which breakage occurs when the base layer is stretched in the MD direction, and the film or film laminate constituting the base layer is cut so that the MD direction is the longitudinal direction. After manufacturing, it can be measured by a method of measuring the maximum strength at which fracture occurs by mounting the sample for measurement in a UTM device and stretching it.
  • the breaking strength of the substrate layer in the MD direction varies depending on the type of film constituting the substrate layer, the film thickness, and/or the adhesive layer thickness, etc.
  • a substrate layer having strength can be formed.
  • 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 moldability.
  • 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 15 ⁇ m to 35 ⁇ m, more preferably 15 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the thickness of the polyethylene terephthalate film and the nylon film satisfy the above range, formability, flexibility and durability are improved, and the loop stiffness value required in the present invention can be easily implemented.
  • 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 may have a thickness of 50 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 55 ⁇ m to 90 ⁇ m, and more preferably 55 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the thickness of the gas barrier layer satisfies the above range, it is easy to implement a desired loop stiffness value, and moldability is increased, so that the cup portion can be formed deeply and sharp.
  • the thickness of the gas barrier layer is about 40 ⁇ m, it is difficult to realize a desired loop stiffness value due to poor flexibility of the pouch film laminate, and there is a limit to increasing the molding depth due to poor moldability, and the corners of the cup portion are sharp. It is also difficult to form.
  • the gas barrier layer may be made of a metal material, and specifically, 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 improving 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 it is difficult to distribute internal stress during stretching, resulting in increased cracks or pinholes.
  • the grain size is less than 10 ⁇ m, the flexibility of the aluminum alloy thin film decreases There is a limit to improving formability 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 1.
  • 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 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 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.
  • FIGS. 3 and 4 show embodiments of the battery case according to the present invention.
  • a battery case according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4 .
  • the battery case 100 according to the present invention is manufactured by drawing and molding the pouch film laminate 1 of the present invention described above, and at least one cup portion 110a, 110b).
  • the cup portions 110a and 110b are spaces 112 for accommodating an electrode assembly (not shown) and an electrolyte (not shown), and are manufactured by drawing and molding the pouch film laminate 1 using a punch or the like. At this time, the drawing may be performed by pressing a punch toward the sealant layer of the pouch film laminate 1.
  • the battery case 100 may include one cup portion 110a as shown in FIG. 3, or two cup portions 110a and 110b as shown in FIG. It may be.
  • the battery case 100 includes a lower case 110 and an upper case 120, and the cup portions 110a and 110b are formed only in one of the lower case 110 and the upper case 120. It may be, or it may be formed on both sides.
  • the pouch film laminate 1 is molded with a 1-cup molding device, as shown in FIG. 3, a battery case having one cup portion can be manufactured, and when molded with a 2-cup molding device, shown in FIG. As described above, a battery case having cup portions formed on both the lower case 110 and the upper case 120 may be manufactured.
  • the upper case 120 After receiving the electrode assembly in the cup parts 110a and 110b, injecting the electrolyte solution, the upper case 120 is folded so as to come to the top of the lower case 110 so that the electrode assembly and the electrolyte can be blocked from the outside.
  • a sealing process is performed by thermally compressing the corners of the upper case 120 and the lower case 110 .
  • the battery case according to the present invention is manufactured using the pouch film laminate 1 having a high loop rigidity in the MD direction of 750 mN to 1300 mN, the flexibility is excellent and the limit molding depth when molding the cup part is large, It is possible to form a large slope at the edge of the cup portion, and minimize the occurrence of curl after molding the cup.
  • the battery case of the present invention can increase the accommodating volume in the cup portion compared to the prior art, and as a result, the volume of the electrode assembly that can be accommodated increases to realize high energy density and minimize defects due to curl after molding. can
  • the battery case according to the present invention has a cup depth of 10 mm or more, preferably 10 mm to 30 mm, and a curl height of 25 mm or less, preferably 20 mm or less, more preferably 15 mm or less.
  • the depth of the cup part means the sum of the depths of the cup part of the upper case and the cup part of the lower case.
  • the curl height of the battery case was measured with a ruler when the cup portion of the battery case was fixed to the floor with double-sided tape, and the height at which each corner of the battery case was rolled up was measured, and the largest value was evaluated as the curl height.
  • a 60 ⁇ m thick AA8021 aluminum (Al) alloy thin film manufactured by Sama Aluminum
  • a 25 ⁇ m thick nylon film trade name: Nylon 6 manufacturer: Hyosung
  • a 12 ⁇ m thick polyethylene terephthalate (PET) film manufactured by Hyosung
  • a urethane adhesive was applied so that the thickness of the adhesive layer was 3 ⁇ m.
  • a pouch film laminate was prepared by co-extruding molten non-stretched polypropylene (CPP) on the other surface of the aluminum alloy thin film to form a sealant layer having a thickness of 80 ⁇ m.
  • CPP molten non-stretched polypropylene
  • a pouch film laminate was prepared 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.
  • the base layer is formed by laminating a 15 ⁇ m thick nylon film (trade name: Nylon 6 manufacturer: Hyosung) and a 12 ⁇ m thick polyethylene terephthalate (PET) film (manufacturer: Hyosung) by dry lamination method using a urethane adhesive. Except for, a pouch film laminate was prepared in the same manner as in Example 1.
  • a pouch film laminate was prepared in the same manner as in Example 3, except that an AA8021 aluminum (Al) alloy thin film having a thickness of 40 ⁇ m (manufacturer: Sama Aluminum) was used.
  • a pouch film laminate was prepared in the same manner as in Example 1, except that the urethane adhesive was applied so that the thickness of the adhesive layer was 5 ⁇ m when the base layer was formed.
  • First samples were prepared by cutting each of the pouch film laminates prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 to have a length of 15 mm in the MD direction and 150 mm in the TD direction.
  • second samples were prepared by cutting each of the pouch film laminates prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 to have a length of 15 mm in the TD direction and a length of 150 mm in the MD direction.
  • Samples were prepared by cutting the substrate layer films (nylon film/adhesive layer/polyethylene terephthalate film laminate) used in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 to have a width ⁇ length of 15 mm ⁇ 80 mm. At this time, the longitudinal direction of the sample was cut to match the MD direction of the pouch film laminate. After fixing the sample to a UTM device with a grip gap of 30 mm, the sample was pulled at a tensile speed of 50 mm/min to measure the strength at which fracture occurs. The measurement results are shown in [Table 1] below.
  • a battery case forming device After cutting each of the pouch film laminates prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 to a size of 240 mm ⁇ 200 mm, a battery case forming device having one cup forming part with a size of 160 mm ⁇ 90 mm in width and 90 mm in length and width In a battery case molding apparatus having two cup molding parts of 160 mm ⁇ and 61 mm in length, molding was performed while changing the molding depth, and the maximum molding depth (limit molding depth) until cracks occurred was measured.
  • the punch and the forming part of the battery case forming device are filleted at the corner and corner, the corner of the punch has a curvature of 2 mm, the corner has a curvature of 0.5 mm, and the corner of the forming part has a curvature of 2.5 mm and a corner of 0.5 mm. had a curvature of mm. And, the clearance between the punch and the molded part was 0.5 mm. In the battery case molding apparatus having two cup molding parts, the distance between the two molding parts was 1 mm. The measurement results are shown in [Table 1] below.
  • Example 1 Example 2 Example 3 Comparative Example 1 Comparative Example 2 Loop Stiffness (mN) Sample 1 (MD) 980 1200 815 600 1500 Sample 2 (TD) 945 1100 772 562 1300 Base layer MD direction breaking strength (N/15mm) 13.0 13.0 9.6 9.6 19.2 limit molding depth (mm) 1 cup molding 15 16 14 9 16 2 cup molding 10.2 10.6 9 6.5 11 curl height (mm) 10 19 8 5 30

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Abstract

본 발명은 가스 배리어층, 상기 가스 배리어층의 일면에 배치되는 기재층, 및 상기 가스 배리어층의 타면에 배치되는 실런트층을 포함하고, MD 방향의 루프 강성이 750mN 내지 1300mN인 파우치 필름 적층체 및 이를 이용하여 제조된 전지 케이스에 관한 것이다.

Description

파우치 필름 적층체 및 이를 이용하여 제조된 전지 케이스
본 출원은 2021년 12월 24일에 출원된 한국특허출원 제10-2021-0187275호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 파우치 필름 적층체 및 이를 이용하여 제조된 전지 케이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성형성이 우수하고, 성형 후 컬 발생이 적은 파우치 필름 적층체 및 이를 이용하여 제조된 전지 케이스에 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. 그리고, 캔 형(Can Type)은 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
파우치형 전지 케이스는, 유연성을 가지는 파우치 필름 적층체에 프레스 가공을 수행하여, 컵부를 형성함으로써 제조된다. 그리고, 컵부가 형성되면, 상기 컵부의 수용 공간에 전극 조립체를 수납하고 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.
그러나, 이러한 종래의 파우치 필름 적층체의 경우, 성형성이 낮아 컵부의 깊이를 깊게 성형하는데 한계가 있고, 컵부의 바닥부 모서리와 개방부 모서리에 필렛팅(Filleting, 모깎기)을 적용할 때, 필렛팅의 반경을 감소하는 데에도 한계가 있었다. 또한, 컵부의 벽면부를 수직에 가깝게 성형하는 데에도 한계가 있었다. 이에 따라, 이차 전지의 데드 스페이스(Dead Space)가 증가하고 전극 조립체의 크기가 감소하여 부피 대비 에너지 효율이 감소하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 드로잉 성형성이 우수하여 컵부 성형 깊이를 깊게 형성할 수 있고, 성형 후 컬 발생이 적은 파우치 필름 적층체 및 이를 이용하여 제조된 전지 케이스를 제공하고자 한다.
일 측면에서, 본 발명은 가스 배리어층, 상기 가스 배리어층의 일면에 배치되는 기재층, 및 상기 가스 배리어층의 타면에 배치되는 실런트층을 포함하고, MD 방향의 루프 강성이 750mN 내지 1300mN인 파우치 필름 적층체를 제공한다.
바람직하게는, 상기 파우치 필름 적층체의 TD 방향 루프 강성은 750mN 내지 1300mN일 수 있으며, MD 방향의 루프 강성에 대한 TD 방향의 루프 강성의 비가 0.8 내지 1.2일 수 있다.
상기 기재층은 MD 방향 파단 강도가 10N/15mm 내지 18N/15mm일 수 있다.
또한, 일 구현예에 따르면, 상기 기재층은 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름과 나일론 필름의 적층체일 수 있고, 이때, 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름의 두께가 5㎛ 내지 20㎛이고, 상기 나일론 필름의 두께가 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
상기 가스 배리어층은 그 두께가 50㎛ 내지 100㎛일 수 있으며, 알루미늄 합금 박막을 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 알루미늄 합금 박막은 철을 1.2 wt% 내지 1.7 wt%로 포함하는 것일 수 있고, 결정립도가 10㎛ 내지 13㎛일 수 있다.
상기 실런트층은 그 두께가 60㎛ 내지 100㎛일 수 있으며, 무연신 폴리프로필렌, 산처리된 폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 공중합체 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은, 상술한 본 발명의 파우치 필름 적층체를 드로잉 성형하여 제조되고, 깊이가 10mm 이상인 컵부를 포함하고, 컬 높이가 25mm 이하인 전지 케이스를 제공한다.
파우치 필름 적층체의 루프 강성이 본 발명의 범위를 만족할 경우, 컵 성형 시 한계 성형 깊이가 크고, 컵부 모서리 부분의 기울기를 크게 형성할 수 있으며, 컵 성형 후 컬 발생이 적다. 따라서, 본 발명에 따른 파우치 필름 적층체를 이용하면 전극 조립체의 수용 부피가 크고, 컬(curl)이 적은 전지 케이스를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 파우치 필름 적층체의 단면도이다.
도 2는 루프 강성 측정 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전지 케이스를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전지 케이스를 도시한 도면이다.
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 발명에서 “MD 방향(Machine Direction)”은 파우치 필름 적층체의 길이 방향을 의미하고, “TD 방향(Transverse Direction)"은 파우치 필름 적층체의 폭 방향을 의미한다.
본 발명자들은 전지 조립체의 수용 공간이 넓어 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있고, 컵 성형 후 컬링 적어 공정 불량이 적은 전지 케이스를 제조하기 위해 연구를 거듭한 결과, 루프 강성이 특정 범위를 만족하는 파우치 필름 적층체를 이용하여 전지 케이스를 제조할 경우, 상기와 같은 목적을 달성할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
<파우치 필름 적층체>
도 1에는 본 발명에 따른 파우치 필름 적층체의 일 실시예가 도시되어 있다, 이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 파우치 필름 적층체에 대해 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 파우치 필름 적층체(1)는, 가스 배리어층(20), 상기 가스 배리어층의 일면에 배치되는 기재층(10), 및 상기 가스 배리어층의 타면에 배치되는 실런트층(30)을 포함하고, 상기 파우치 필름 적층체의 MD 방향의 루프 강성(Roof stiffness)이 750mN 내지 1300mN, 바람직하게는 800mN 내지 1200mN, 더 바람직하게는 800mN 내지 1000mN을 만족하는 것을 그 특징으로 한다.
파우치 필름 적층체(1)의 MD 방향의 루프 강성이 750mN 내지 1300mN을 만족할 경우, 우수한 드로잉 성형성을 가져 컵부를 깊게 형성할 수 있으며, 컵부 성형 시 요구되는 클리어리스(clearance)가 작아 벽면 기울기를 샤프(sharp)하게 형성할 수 있고, 성형 후 내컬링성이 우수하다. 구체적으로는 파우치 필름 적층체의 MD 방향 루프 강성이 750mN 미만인 경우에는 드로잉 성형성이 떨어져 컵부의 수용 부피를 증가시키는데 한계가 있으며, MD 방향 루프 강성이 1300mN를 초과하는 경우에는 컵 성형 후 컬이 심하게 발생할 수 있다. 컵부 부피가 작으면 수용가능한 전지 조립체가 적어 고에너지 밀도를 구현할 수 없으며, 컵 성형 후 컬이 발생하면 전지 조립 공정을 위해 파우치 이송 시에 진공 파기 현상 및/또는 디가스 실링(degas sealing) 공정 시에 전지 케이스에 주름이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 파우치 필름 적층체는, MD 방향의 루프 강성에 대한 TD 방향의 루프 강성의 비가 0.8 내지 1.2, 바람직하게는 0.9 내지 1.1일 수 있다. 파우치 필름 적층체의 MD 방향 루프 강성에 대한 TD 방향의 루프 강성의 비가 상기 범위를 만족할 때, 컵 성형 과정에서 손상이나 주름 발생 등을 억제할 수 있다.
구체적으로는 본 발명의 파우치 필름 적층체의 TD방향 루프 강성은 750mN 내지 1300mN, 바람직하게는 800mN 내지 1200mN, 더 바람직하게는 800mN 내지 1000mN을 만족하는 것이 바람직하다. TD 방향 루프 강성이 상기 범위를 만족할 때, 드로잉 성형성이 우수하고, 컵 성형 후 컬 발생을 효과적으로 억제할 수 있으며, MD 방향의 루프 강성과의 차이가 크지 않아 성형 후 손상이나 주름 발생을 억제할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 파우치 필름 적층체의 루프 강성의 측정 과정이 도시되어 있다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 먼저 파우치 필름 적층체를 폭×길이가 15mm×150mm가 되도록 재단하여 측정용 샘플을 제조한다. MD 방향(Machine Direction)의 루프 강성을 측정하고자 할 경우에는 MD 방향과 상기 측정용 샘플의 폭 방향이 일치하도록 재단하고, TD 방향(Transverse Direction)의 루프 강성을 측정하고자 할 경우에는 TD 방향과 상기 측정용 샘플의 폭 방향이 일치하도록 재단한다. 그런 다음, 도 2(b)에 나타난 바와 같이, 상기 측정용 샘플의 양단부를 측정 장치의 클립에 끼워 고정하고, 도 2(c)에 나타난 바와 같이, 상기 클립을 이동시켜 측정용 샘플을 루프 형상으로 변형시킨다. 그런 다음, 도 (d)에 나타난 바와 같이, 상기 루프를 5mm/min 속도로 압입하면서 루프를 변형 시에 걸리는 최대 하중값으로 측정하고, 이를 루프 강성값으로 한다.
파우치 필름 적층체의 루프 강성은 파우치 필름 적층체를 구성하는 각 층(즉, 기재층, 가스 배리어층, 실런트층)의 두께 및 재질 등의 영향을 받으므로, 파우치 필름 적층체를 구성하는 각 층의 두께, 재질 등을 조절하여 원하는 루프 강성을 갖는 파우치 필름 적층체를 제조할 수 있다. 예를 들면, 가스 배리어층을 연신율이 높은 연질 알루미늄 박막(ex. AA8021)으로 형성하고, 가스 배리어층 두께를 50㎛ 내지 100㎛으로 두껍게 형성하고, 기재층을 MD 방향 파단 강도가 10N/15mm 내지 18N/15mm인 필름 또는 필름 적층체로 구성함으로써, 본 발명의 루프 강성을 만족하는 파우치 필름 적층체를 제조할 수 있다. 다만, 본 발명의 루프 강성값을 만족하는 파우치 필름 적층체의 제조 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로 본 발명에 따른 파우치 필름 적층체의 각 층에 대해 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 1에 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 5㎛ ~ 60㎛, 바람직하게는 10㎛ ~ 50㎛, 더 바람직하게는 20㎛ ~ 50㎛일 수 있다. 기재층이 다층 구조인 경우, 상기 두께는 필름과 필름 사이에 개재되는 접착층의 두께를 포함하는 두께이다. 이때, 상기 접착층의 두께는 1 ~ 10㎛, 바람직하게는 1 ~ 7㎛, 더 바람직하게는 1 ~ 4㎛일 수 있다. 기재층(10)의 두께가 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.
본 발명에 있어서, 상기 기재층은 MD 방향 파단 강도가 10N/mm 내지 18N/mm, 바람직하게는 10N/mm 내지 15N/mm 정도일 수 있다. 기재층의 MD 방향 파단 강도가 상기 범위를 만족할 때, 본 발명에서 요구되는 MD 방향 루프 강성 값을 용이하게 구현할 수 있다. 기재층의 MD 방향 파단 강도가 너무 작으면 파우치 필름 적층체의 MD 방향 루프 강성이 저하되고, 너무 크면 파우치 필름 적층체의 MD 방향 루프 강성이 너무 커지게 된다.
한편, 상기 기재층의 MD 방향 파단 강도는 기재층을 MD 방향으로 인장시켰을 때 파단이 발생하는 강도로, 기재층을 구성하는 필름 또는 필름 적층체를 MD 방향이 길이 방향이 되도록 재단하여 측정용 샘플을 제작한 후, 상기 측정용 샘플을 UTM 장치에 장착하고 인장시켜 파단이 발생되는 최대 강도를 측정하는 방법으로 측정될 수 있다.
기재층의 MD 방향 파단 강도는 기재층을 구성하는 필름의 종류, 필름 두께, 및/또는 접착층 두께 등에 따라 달라지므로, 필름의 종류, 필름 두께, 및/또는 접착층 두께 등을 적절하게 조절하여 원하는 파단 강도를 갖는 기재층을 형성할 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 15㎛ 내지 35㎛, 더 바람직하게는 15㎛ 내지 25㎛일 수 있다. 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름과 나일론 필름의 두께가 상기 범위를 만족할 때, 성형성, 굴곡성 및 내구성이 개선되고, 본 발명에서 요구되는 루프 강성 값을 용이하게 구현할 수 있다.
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 배리어층은 그 두께가 50㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 55㎛ 내지 90㎛, 더 바람직하게는 55㎛ 내지 80㎛일 수 있다. 가스 배리어층의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 원하는 루프 강성 값을 구현하기가 용이하고, 성형성이 증가하여 컵부를 깊고 샤프(sharp)하게 성형할 수 있다. 종래에는 40㎛의 두께를 갖는 알루미늄 합금 박막을 이용하여 가스 배리어층을 형성하는 것이 일반적이었다. 그러나, 가스 배리어층의 두께가 40㎛ 수준인 경우, 파우치 필름 적층체의 굴곡성이 떨어져 원하는 루프 강성값을 구현하기 어렵고, 성형성이 떨어져 성형 깊이 증가에 한계가 있으며, 컵부 모서리를 샤프(sharp)하게 형성하기도 어렵다.
한편, 상기 가스 배리어층은 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 13㎛를 초과할 경우, 알루미늄 합금 박막의 강도가 떨어지고, 연신 시에 내부 응력 분산이 어려워 크랙이나 핀홀 발생이 증가하였으며, 결정립도가 10㎛ 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 적층체(1)의 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.
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.
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.
<전지 케이스>
도 3 및 도 4에는 본 발명에 따른 전지 케이스의 구현예들이 도시되어 있다. 이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 전지 케이스에 대해 설명한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 케이스(100)는 상술한 본 발명의 파우치 필름 적층체(1)를 드로잉(Drawing) 성형하여 제조되며, 적어도 하나 이상의 컵부(110a, 110b)를 포함한다.
파우치 필름 적층체(1)는 상술한 바와 동일하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
상기 컵부(110a, 110b)는 전극 조립체(미도시) 및 전해질(미도시)를 수용하기 위한 공간(112)으로, 파우치 필름 적층체(1)를 펀치 등을 이용하여 드로잉 성형하여 제조된다. 이때, 상기 드로잉 성형은 파우치 필름 적층체(1)의 실런트층 측으로 펀치를 가압하여 수행될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지 케이스(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 컵부(110a)를 포함하는 것일 수도 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 2개의 컵부(110a, 110b)를 포함하는 것일 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지 케이스(100)는 하부 케이스(110) 및 상부 케이스(120)를 포함하며, 상기 컵부(110a, 110b)는 하부 케이스(110) 및 상부 케이스(120) 중 하나에만 형성될 수도 있고, 양쪽 모두에 형성될 수도 있다. 파우치 필름 적층체(1)를 1컵 성형 장치로 성형할 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 컵부가 1개인 전지 케이스를 제조할 수 있으며, 2컵 성형 장치로 성형할 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 하부 케이스(110)와 상부 케이스(120) 모두에 컵부가 형성된 전지 케이스를 제조할 수 있다.
상기 컵부(110a, 110b)에 전극 조립체를 수납하고, 전해액을 주입한 후, 상부 케이스(120)가 하부 케이스(110)의 상단에 오도록 폴딩하여 전극 조립체 및 전해질이 외부와 차단될 수 있도록 한다.
그런 다음, 상부 케이스(120)와 하부 케이스(110)의 모서리 부분을 열 압착하여 실링 공정을 수행한다.
본 발명에 따른 전지 케이스는, 상술한 바와 같이 MD 방향의 루프 강성이 750mN ~ 1300mN으로 높은 파우치 필름 적층체(1)를 이용하여 제조되기 때문에, 굴곡성이 우수하여 컵부 성형 시 한계 성형 깊이가 크고, 컵부 모서리 부분의 기울기를 크게 형성할 수 있으며, 컵 성형 후 컬 발생을 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 전지 케이스는 종래에 비해 컵부 내 수용 부피를 증가시킬 수 있으며, 그 결과 수용가능한 전극 조립체의 부피가 증가하여 고에너지 밀도를 구현할 수 있으며, 성형 후 컬 발생으로 인한 불량을 최소화할 수 있다.
구체적으로는 본 발명에 따른 전지 케이스는 컵부 깊이가 10mm 이상, 바람직하게는 10mm 내지 30mm이고, 컬 높이가 25mm 이하, 바람직하게는 20mm 이하, 더 바람직하게는 15mm 이하이다.
한편, 전지 케이스의 컵부가 2개인 경우, 상기 컵부의 깊이는 상부 케이스의 컵부와 하부 케이스의 컵부의 깊이를 합한 값을 의미한다.
또한, 상기 전지 케이스의 컬 높이는 양면 테이프로 전지 케이스의 컵부를 바닥에 고정하였을 때, 전지 케이스의 각 모서리가 말려올라간 높이를 철직자로 측정하고, 이 중 가장 큰 값을 컬 높이로 평가하였다.
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. 이때, 우레탄 접착체는 접착층 두께가 3㎛가 되도록 도포하였다. 다음으로, 상기 알루미늄 합금 박막의 타면에 용융된 무연신 폴리프로필렌(CPP)을 공압출하여 80㎛ 두께의 실런트층을 형성하여 파우치 필름 적층체를 제조하였다.
실시예 2
두께 80㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막을 사용한 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체를 제조하였다.
실시예 3
두께 15㎛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 형성한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체를 제조하였다.
비교예 1
두께 40㎛의 AA8021 알루미늄(Al) 합금 박막(제조사: 삼아알미늄)을 사용한 점을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체를 제조하였다.
비교예 2
기재층 형성 시에 우레탄 접착체를 접착층 두께가 5㎛가 되도록 도포한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 필름 적층체를 제조하였다.
실험예 1: 루프 강성 측정
실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 파우치 필름 적층체 각각을 MD 방향 길이가 15mm, TD 방향 길이가 150mm가 되도록 재단하여 제1샘플들을 제조하였다.
또한, 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 파우치 필름 적층체 각각을 TD 방향 길이가 15mm, MD 방향 길이가 150mm가 되도록 재단하여 제2샘플들을 제조하였다.
상기 제1샘플 및 제2샘플 각각을 반지름 16mm, 원주 100mm가 되도록 루프 형태로 변형시킨 후, 5mm/min의 속도로 힘을 가하여 루프를 변형시키는데 걸리는 최대 강도를 측정하고, 이를 루프 강성으로 평가하였다. 측정 결과는 하기 [표 1]에 나타내었다.
실험예 2 : 기재층 필름 MD 방향 파단 강도 측정
실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 및 2에서 사용된 기재층 필름(나일론 필름/접착층/ 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 적층체)을 폭 × 길이가 15mm × 80mm이 되도록 재단하여 샘플을 제조하였다. 이때, 샘플의 길이 방향이 파우치 필름 적층체의 MD 방향과 일치하도록 재단하였다. UTM 장치에 상기 샘플을 그립 갭(Grip gap) 30mm로 고정시킨 후, 50mm/min의 인장 속도로 상기 샘플을 잡아당겨 파단이 발생되는 강도를 측정하였다. 측정 결과는 하기 [표 1]에 나타내었다.
실험예 3: 한계 성형 깊이 측정
실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 의해 제조된 파우치 필름 적층체 각각을 240mm Х 200mm 의 크기로 재단한 후, 가로 160mm Х 세로 90mm 크기의 컵 성형부를 1개 가지는 전지 케이스 성형 장치와 가로 160mm Х 세로 61mm 크기의 컵 성형부를 2개 가지는 전지 케이스 성형 장치에서 성형 깊이를 변화시키며 각각 성형을 수행하여 크랙이 발생하기 직전까지의 최대 성형 깊이(한계 성형 깊이)를 측정하였다. 여기서 전지 케이스 성형 장치의 펀치와 성형부는, 코너와 모서리에 필렛팅(Filleting, 모깎기)되었으며, 펀치의 코너는 2mm, 모서리는 0.5mm의 곡률을 가지고, 성형부의 코너는 2.5mm, 모서리는 0.5mm의 곡률을 가졌다. 그리고, 펀치와 성형부의 클리어런스(Clearance)는 0.5mm였다. 컵 성형부를 2개 가지는 전지 케이스 성형 장치에서, 2개의 성형부 사이의 거리는 1mm였다. 측정 결과는 하기 [표 1]에 나타내었다.
실험예 4: 컬 특성 측정
상기 실험예 3에서 한계 성형 깊이까지 1컵 성형된 전지 케이스의 컵부를 양면 테이프로 바닥에 고정한 후, 전지 케이스의 각 모서리가 말려올라간 높이를 철직자로 측정하고, 이 중 가장 큰 값을 컬 높이로 평가하였다. 측정 결과는 하기 [표 1]에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
루프 강성(mN) 샘플 1(MD) 980 1200 815 600 1500
샘플 2(TD) 945 1100 772 562 1300
기재층 MD 방향 파단 강도(N/15mm) 13.0 13.0 9.6 9.6 19.2
한계 성형 깊이(mm) 1컵 성형 15 16 14 9 16
2컵 성형 10.2 10.6 9 6.5 11
컬 높이(mm) 10 19 8 5 30
상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, MD 방향 루프 강성이 본 발명의 범위를 만족하는 파우치 필름 적층체를 이용하여 전지 케이스를 제조할 경우, 한계 성형 깊이가 깊고, 컬이 작은 전지 케이스를 제조할 수 있었다. 이에 비해, MD 방향 루프 강성이 730mN 미만인 비교예 1의 파우치 필름 적층체를 이용할 경우, 한계 성형 깊이가 작게 나타났고, 루프 강성이 1300mN 이상인 비교예 2의 파우치 필름 적층체를 사용할 경우, 성형성은 우수하였으나, 컵 성형 후 컬이 심하게 발생함을 확인할 수 있다.
<부호의 설명>
1 : 파우치 필름 적층체
10 : 기재층
20 : 가스 배리어층
30 : 실런트층
16a, 16b : 접착층
100: 전지 케이스
110: 하부 케이스
120 : 상부 케이스
110a, 110b : 컵부
130 : 브릿지

Claims (13)

  1. 가스 배리어층,
    상기 가스 배리어층의 일면에 배치되는 기재층, 및
    상기 가스 배리어층의 타면에 배치되는 실런트층을 포함하고,
    MD 방향의 루프 강성이 750mN 내지 1300mN인 파우치 필름 적층체.
  2. 제1항에 있어서,
    TD 방향의 루프 강성이 750mN 내지 1300mN인 파우치 필름 적층체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파우치 필름 적층체의 MD 방향의 루프 강성에 대한 TD 방향의 루프 강성의 비가 0.8 내지 1.2인 파우치 필름 적층체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기재층은 MD 방향 파단 강도가 10N/15mm 내지 18N/15mm인 파우치 필름 적층체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기재층은 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름과 나일론 필름의 적층 구조인 파우치 필름 적층체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름의 두께가 5㎛ 내지 20㎛이고,
    상기 나일론 필름의 두께가 10㎛ 내지 30㎛인 파우치 필름 적층체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배리어층은 그 두께가 50㎛ 내지 100㎛인 파우치 필름 적층체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배리어층은 알루미늄 합금 박막을 포함하는 파우치 필름 적층체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 박막은 철을 1.2 wt% 내지 1.7 wt%로 포함하는 파우치 필름 적층체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 박막은 결정립도가 10㎛ 내지 13㎛인 파우치 필름 적층체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 실런트층은 그 두께가 60㎛ 내지 100㎛인 파우치 필름 적층체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 실런트층은 무연신 폴리프로필렌, 산처리된 폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 공중합체 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 파우치 필름 적층체.
  13. 청구항 1의 파우치 필름 적층체를 드로잉 성형하여 제조된 전지 케이스이며,
    상기 전지 케이스는 적어도 하나 이상의 컵부를 포함하고,
    상기 컵부 깊이가 10mm 이상이고, 컬 높이가 25mm 이하인 전지 케이스.
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