KR100530156B1 - 파우치형 리튬 이차전지 - Google Patents

Abstract

파우치형 리튬 이차전지가 개시된다.

본 발명은, 파우치형 리튬 이차 전지에 있어서, 코어 팩 전지를 형성하기 위해 베어 셀 전지의 전극 리드에 결합되는 보호회로 구조체에 삽입 홈이 형성되고, 전극 리드가 삽입 홈에 끼워지는 형태로 결합됨을 특징으로 한다.

따라서, 전극 리드와 보호회로의 접속부가 차지하는 공간의 두께를 줄여 전지 전체를 두께를 줄일 수 있고, 전극 리드와 보호회로의 결합을 용이하고 신뢰성 있게 할 수 있으며, 공정 작업성을 높여 공정 효율 향상에 기여할 수 있다.

Description

파우치형 리튬 이차전지 {Pouch type lithium secondary battery}

본 발명은 리튬 이온을 이용하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극과 음극 및 분리막을 포함하는 전극 구조체가 파우치(pouch)에 수용되는 형태를 가지는 파우치형 리튬 이차전지에 관한 것이다.

리튬 이차전지는 리튬과 수분의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 이 전해질은 리튬염을 함유하는 고체 폴리머이거나, 리튬염이 유기 용매에서 해리된 액상일 수 있다. 리튬 이차전지를 전해질 종류에 따라 구분해 보면, 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속전지와 리튬 이온전지, 그리고 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다.

리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 유기 전해액의 누출문제가 없거나, 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 비교할 때 보다 간이한 형태로 방지될 수 있다. 가령, 리튬 이온 폴리머 전지는 파우치를 리튬 이온 전지의 금속캔(can) 대신 사용할 수 있다.

파우치를 사용할 경우에는 금속캔을 사용할 때보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있다.

도1은 파우치형 리튬 이차 전지의 일 예에서 파우치가 밀봉되기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.

도1을 참조하여 파우치형 리튬 이차 전지의 일반적 형성 방법을 살펴보면, 우선, 전극 조립체가 수용될 홈이 형성되는 파우치의 하부(20)와 홈을 덮게되는 파우치 상부(10)를 형성한다. 홈(21)은 프레스(press) 가공 등을 통해 형성된다.

통상의 전극 조립체(30)는 양극(31), 세퍼레이터(33), 음극(35)의 순서로 적층된 다층막을 와형으로 권취하여 젤리 롤(Jelly Roll)로 형성한다. 젤리 롤을 권취 형성할 때 양극과 음극의 단락을 막기 위해 롤(roll)의 외부로 드러나는 전극면에는 세퍼레이터가 덧붙여진다. 젤리 롤은 파우치의 하부 홈(21)에 놓여지고 가장자리부를 밀착시킨 상태에서 가열 가압하여 파우치 밀봉을 실시한다.

전극 조립체(30)의 양극(31)과 음극(35)을 파우치 외부와 전기적으로 연결하기 위해 양극(31) 및 음극(35)의 일 측에는 전극 탭 혹은 전극 리드(37,38)가 형성된다. 이들 전극 리드(37,38)는 젤리 롤이 권취되는 방향과 수직 방향으로 젤리 롤에서 돌출되도록 형성되고, 파우치막의 밀봉되는 한 변을 통해 파우치를 통과하여 인출된다.

파우치막에서 중간층 금속 포일(13)은 통상 알미늄으로 형성된다. 파우치막 내층을 이루는 폴리머막(11)은 전해질로부터 금속 포일을 보호함과 아울러, 양극과 음극, 그리고 전극 리드들 사이의 단락(短絡)을 방지한다.

파우치 밀봉이 이루어져 형성된 베어 셀(bare cell)에 도시되지 않은 보호 회로 기판(PCM:protecting circuit moudule)이나 PTC(positive temperature coefficient)같은 부속품 혹은 구조체가 부착되어 코어 팩(core pack)이 형성된다.

그리고, 코어 팩을 하드 케이스에 내장하여 결합시키면 완성된 하드 팩 전지가 형성된다. 하드 케이스는 내측에 별도의 회로나 도체부 없이 폴리프로필렌 수지 등을 이용하여 형성할 수 있으나, 전지가 사용되는 기기의 특성에 따라 하드 케이스 내부에 별도의 부속 회로나 다른 도체부를 가지는 경우가 있다.

도2a 및 도2b는 종래의 예에 따라 형성된 코어 셀 전지 가운데 전극 리드 및 보호 회로 기판의 결합 상태를 나타내는 측면도들이다.

리튬 이차전지 가운데 박형 전지가 요구되는 경우가 많은데 전지 전체의 두께가 수 mm 정도로 요구되는 경우도 있다. 통상의 기판 두께는 전지 자체 두께에 비해 얇게 형성되나 전극 리드와 접속되는 구조에 의해 전극 리드와 보호회로 기판의 접속부가 전극 조립체가 내장된 파우치의 두께보다 더 두껍게 될 수 있다.

도2a를 참조하면, 전극 리드(130)가 한번 접혀 두께가 두번 계상되어야 하는 점, 전극 리드(130)와 보호회로 기판(140)의 용접부(142) 두께, 보호회로 기판(140) 중 용접되지 않는 상면과 전극 리드(130)의 단락을 방지하기 위한 테이프(144) 등이 접속부의 두께를 더욱 증가시키는 요인이 된다.

도2b를 참조하면, 전극 리드(130)가 두번 접혀 두께가 세번 계상되어야 하는 점, 리드(130)의 접힌 부분 사이의 적당한 틈이 요청되는 점, 전극 리드(130)와 보호회로 기판(140) 사이의 용접부(142)의 두께가 접속부의 두께를 증가시키는 요인이 된다.

이들 경우, 하드 케이스 상태의 전지의 두께가 더 두꺼워지지 않기 위해서는 보호회로 기판(140)이 더 얇아져야 한다. 따라서 기판 제작상의 제약점으로 작용하고 기판의 제작 원가를 높일 수 있다는 문제가 발생된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 파우치형 리튬 이차전지를 형성함에 있어서, 전극 리드와 보호회로의 접속부가 차지하는 공간의 두께를 줄여 전지 전체를 두께를 줄일 수 있는 파우치형 리튬 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 코어 팩 전지를 형성함에 있어서 파우치에서 인출되는 전극 리드와 보호회로의 결합을 용이하게 할 수 있는 구조를 가지는 파우치형 리튬 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파우치형 리튬 이차전지는, 양극, 세퍼레이터, 음극을 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체가 내장되는 파우치를 포함하는 베어 셀 전지와 보호회로 구조체를 가지는 파우치형 이차 전지에 있어서, 코어 팩 전지를 형성하기 위해 베어 셀 전지의 전극 리드에 결합되는 보호회로 구조체에 삽입 홈이 형성되고, 전극 리드가 삽입 홈에 끼워지는 형태로 결합됨을 특징으로 한다.

본 발명에서 삽입 홈에는 보호회로 구조체의 전극 단자가 형성되어 전극 리드가 삽입 홈에 끼워지는 즉시 전극 리드와 보호회로 구조체 사이의 전기 접속이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 삽입 홈 내면에는 전극 단자를 형성하는 금속 도전판이 판스프링 형태로 설치되고, 전극 리드를 삽입하면 전극 리드가 금속 도전판과 홈의 대향 벽면 혹은 두 개의 대향하는 판스프링 형태의 금속 도전판에 끼워져 마찰에 의해 고정되도록 하는 것이 전극 리드와 보호회로 구조체의 결합을 용이하게 할 수 있으므로 바람직하다.

본 발명에서 전극 리드와 보호회로 구조체의 결합의 신뢰성을 높이기 위해 전극 리드가 보호회로 구조체에 형성된 홈에 삽입된 다음 홈 입구 혹은 출구 같은 주변부에서 용접이 이루어지는 경우도 고려할 수 있다.

본 발명에서 보호회로 구조체에 형성되는 홈은 전극 리드가 보호회로 구조체를 관통하도록 형성될 수도 있다. 이 경우 용접은 홈의 입구 혹은 출구에서 모두 이루어질 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 이차 전지를 형성하는 과정 중 베어 셀에 보호회로 기판이 결합된 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이며, 도3b는 도3a에 도시된 전지를 AA 선에서 수직하게 절단한 경우의 전극 리드와 보호회로의 접속부를 나타내는 개략적 단면도이다.

도3a의 상태를 형성하는 방법의 일 예를 살펴보면, 먼저 대개 일체로 형성되는 직방형 파우치막을 한 변의 길이 방향을 기준으로 중간을 접철하여 파우치의 상부, 하부를 이룬다. 하부에는 프레스(press) 가공 등을 통해 전극 조립체가 수용될 수 있는 홈이 형성된다. 이때, 파우치막은 통상 알미늄 재질의 금속 포일 상하에 폴리 프로필렌 수지 등의 폴리머막을 코팅하여 이루어진 다층구조를 가진다.

통상의 전극 조립체는 양극, 세퍼레이터, 음극의 순서로 적층된 다층막을 와형으로 권취하여 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 형성한다. 젤리 롤을 권취 형성할 때 양극과 음극의 단락을 막기 위해 롤(roll)의 외부로 드러나는 전극면에는 세퍼레이터가 덧붙여진다.

이때, 양극은 도전성이 우수한 금속 박판, 예컨대 알루미늄 호일로 된 양극 집전체의 양면에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층을 코팅하는 방법으로 형성할 수 있다. 양극에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 리드가 전기적으로 연결되어 있다.

음극은 전도성의 금속 박판, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체 양면에 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질층을 코팅하여 형성할 수 있다. 코팅은 도전체, 바인더, 기타 함유물이 섞인 페이스트 상태의 활물질을 집전체에 얇게 씌우는 방식으로 이루어질 수 있다. 음극에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 리드가 접속된다.

권취된 젤리 롤(Jelly Roll) 상태의 전극 조립체에서 양극 리드 및 음극 리드는 일정한 간격을 두고 나란하게 배치되며, 젤리 롤이 권취되는 방향과 수직 방향으로 젤리 롤에서 돌출되고, 밀봉된 파우치(200)의 한 변을 통해 파우치(200)를 통과하여 인출된다.

전극 탭들은 일반적으로 금속, 대개는 알루미늄, 구리 또는 니켈의 리드 형태를 취한다. 이들은 인식할 수 있을 정도의 전압 강하 없이 전류의 통로가 될 만큼 충분한 두께 및 치수를 가져야 한다.

통상 파우치형을 채택하는 리튬 이온 폴리머 전지는 세퍼레이터와 전해질이 일체를 이루는데, 고분자 고체 전해질은 유기 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형과 겔(Gel)형으로 형성될 수 있다.

파우치(200) 밀봉 과정에서 파우치 내면의 폴리머막과 전극 리드(230)를 이루는 금속 사이의 접착을 강화하기 위해 폴리머막 표면에 특정 성분을 함유시키거나, 밀봉전 이들 성분을 가진 별도의 테이프(미도시)를 전극 리드(230)가 파우치와 접착되는 부분에 부착시킬 수도 있다. 이때 테이프는 파우치(200)의 금속 포일과 전극 리드(230)들 사이의 단락을 방지하는 역할도 하게 된다.

한편 다른 실시예에서, 양극 및 음극과, 양극 및 음극 리드는 극성을 달리하여 배치될 수 있다.

전극 조립체가 놓인 파우치막 하부 홈 주위의 가장자리부와 이에 대응되는 파우치막 상부의 가장자리가 밀착된 상태에서 밀착된 부분을 가열 가압하면 내부 폴리머막이 융착하면서 파우치(200) 밀봉이 이루어져 베어 셀이 형성된다.

베어 셀 전지의 전극 리드(230)는 이후 완성된 하드 팩 전지 상태에서 노출되는 음극 및 양극 단자에 연결된다. 그러나, 그 전에 전지의 과열, 과압, 과방전으로부터의 안전성과 신뢰성을 확보하고 이상 동작을 방지하기 위해 PTC 소자나 보호회로 같은 전지 부속과 연결되어야 한다.

보호회로는 단품 부속의 형태로 제작될 수도 있으나 통상 다른 부속과 함께 조합되어 보호회로 기판(240) 형태로 제작된다. 보호회로 기판(240)은 도시된 바와 같이 파우치(200)의 전극 리드(230)가 삽입 홈(246)을 통해 삽입됨으로써 접속되도록 설치된다. 전지는 통상 그 전기 용량에 비해 작은 무게와 크기를 가지는 것이 요청되므로 도시된 본 발명에 따른 보호회로 기판(240)의 설치도 전지의 크기를 줄이도록 고려된 것이다.

도3b를 참조하면, 본 실시예에서는 삽입 홈(241)의 두 대향하는 내면에는 금속 도전판(243)이 판스프링 형태로 설치되어 있다. 따라서, 전극 리드(230)를 홈 속으로 압력을 주어 삽입하면 전극 리드(230)가 두 개의 대향하는 판스프링 형태의 금속 도전판(243)에 끼워지고 금속 도전판(243)과 전극 리드(230) 사이의 마찰에 의해 고정된다. 이때, 금속 도전판(243)이 보호회로 기판(240)에서 전극 리드(230)와 전기 접속된 전극 단자가 되도록 보호회로 기판(240)을 형성한다면 삽입 홈(241)에 전극 리드(230)가 끼워지는 즉시 용이하게 전극 리드(230)와 보호회로 기판(240) 사이의 전기 접속이 이루어질 수 있으므로 바람직하다.

도시되지 않으나 본 발명에서 전극 리드와 보호회로 구조체의 결합의 신뢰성을 높이기 위해 전극 리드가 보호회로 구조체에 형성된 홈에 삽입된 다음 홈 주위의 부분에서 용접이 이루어지는 경우도 고려할 수 있다.

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 리튬 이차 전지를 형성하는 과정 중 베어 셀에 보호회로 기판이 결합된 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도4를 참조하면, 본 실시예에서 보호회로 기판(340)에 형성되는 삽입 홈(346)은 전극 리드(330)가 보호회로 기판(340)을 관통하도록 형성되었다. 본 실시예에서는 파우치(300)에 전극 조립체를 수용할 홈을 별도로 형성하지 않아 상하의 구분이 없으므로 전극 리드(330)를 구부려 보호회로 기판(340')을 파우치의 홈이 형성되는 준위에 위치하도록 할 필요가 없게 된다. 이 경우 보호회로 기판(340')과 전극 리드(330) 사이를 고정시키는 용접을 할 경우, 용접은 삽입 홈(346)의 입구 혹은 출구에서 선택적으로 혹은 함께 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 전극 리드와 보호회로의 접속부가 차지하는 공간의 두께를 줄여 전지 전체를 두께를 줄일 수 있고, 코어 팩 전지를 형성함에 있어서 파우치에서 인출되는 전극 리드와 보호회로의 결합을 용이하고 신뢰성 있게 할 수 있으며, 코어 팩 전지 제조 공정에서 작업성을 높여 공정 효율 향상에 기여할 수 있다.

도1은 파우치형 리튬 이차 전지의 일 예에서 파우치가 밀봉되기 전의 상태를 나타내는 사시도,

도2a 및 도2b는 종래의 예에 따라 형성된 코어 셀 전지 가운데 전극 리드 및 보호 회로 기판의 결합 상태를 나타내는 측면도들,

도3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 이차 전지를 형성하는 과정 중 베어 셀에 보호회로 기판이 결합된 상태를 개략적으로 나타낸 사시도,

도3b는 도3a에 도시된 전지를 AA 선에서 수직하게 절단한 경우의 전극 리드와 보호회로의 접속부를 나타내는 개략적 단면도이며,

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 리튬 이차 전지를 형성하는 과정 중 베어 셀에 보호회로 기판이 결합된 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 파우치 상부 11: 폴리머막

13: 금속 포일 20: 파우치 하부

21: 홈 23: 가장자리부

30: 전극 조립체 31: 양극

33: 세퍼레이터 35: 음극

37: 음극 리드 38: 양극 리드

39: 테이프 100,200,300: 파우치

130,230,330: 전극 리드 140,240,340': 보호회로 기판

142: 용접부 144: 테이프

241,246,346: 삽입 홈 243: 금속 도전판

Claims (5)

1. 양극, 세퍼레이터, 음극을 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체가 내장되는 파우치를 포함하는 베어 셀 전지와 보호회로 구조체를 가지는 파우치형 리튬 이차전지에 있어서,

   코어 팩 전지를 형성하기 위해 상기 베어 셀 전지의 전극 리드에 접속되는 보호회로 구조체에 삽입 홈이 형성되고,

   상기 전극 리드가 상기 삽입 홈에 끼워지는 형태로 결합됨을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 삽입 홈에는 상기 보호회로 구조체의 전극 단자가 형성되어 상기 전극 리드와 상기 보호회로 구조체 사이의 전기 접속이 이루어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 삽입 홈의 내면 가운데 적어도 한 면에는 금속 도전판이 판스프링 형태로 설치되어 상기 전극 리드가 상기 금속 도전판과 마찰에 의해 고정되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 리드와 상기 보호회로 구조체가 상기 삽입 홈 주변부에서 용접됨을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 삽입 홈은 상기 전극 리드가 관통될 수 있도록 형성됨을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차전지.