KR101074022B1 - 향상된 안전성의 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중, 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시, 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 다른 실링부의 폭(너비) 보다 작은 폭을 갖고 외측으로부터 만입된 구조의 절취부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

본 발명에 따른 이차전지는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 절취부에서 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 소망하는 부위로 선택적으로 배출할 수 있으므로, 전지에 대한 발화 내지 폭발의 위험성을 미연에 차단하여 전지의 안전성을 현저하게 향상시키고, 유해 가스의 무분별한 배출로 인한 문제점을 해소할 수 있다. 더욱이, 이러한 절취부는 전지의 제조 공정에서 용이하게 형성할 수 있으므로, 전지 제조비용의 상승을 유발하지 않는다.

Description

향상된 안전성의 이차전지 {Secondary Battery of Improved Safety}

본 발명은 향상된 안전성의 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 외측으로부터 만입된 구조의 절취부가 형성되어 있고, 상기 절취부가 형성된 부위의 실링부는 이를 제외한 다른 부위의 폭(너비)보다 작은 폭을 갖는 것으로 구성된 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분 리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 전지케이스에 내장한 다음 전해액을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.

이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다. 특히, 파우치형 이차전지에서는 전지케이스의 밀봉력이 저하되어 전해액이 누출되는 문제점도 빈번하게 발생한다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.

전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.

이차전지(10)는 전지케이스(20)의 수납부에 전극조립체(30)를 장착한 상태에서 전지케이스(20) 외주면의 접촉부위를 상호 열융착시켜 제조한다. 이러한 이차전지는 내부 단락, 과충전, 고온 노출 등의 비정상적인 작동 상태에 이르게 되면, 내부 전해액이 분해되면서 고압의 가스가 발생하게 된다. 발생된 고압 가스는 전지케이스의 변형을 유발하고 전지의 수명을 단축시킬 수 있으며, 심각하게는 전지의 발화 내지 폭발을 초래할 수 있다.

따라서, 이러한 고압 가스 발생시 전지의 발화 내지 폭발을 방지하고 효율적으로 가스를 방출하기 위한 다양한 시도들이 행해진 바 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2005-116235호는 전극조립체를 내장한 라미네이트 필름의 외주부를 열융착하여 밀봉하는 전지에서 소정의 가스 방출 기구를 형성하는 기술을 개시하고 있다.

이와 관련하여 도 2에는 상기 기술에 따른 하나의 예로서, 미융착부인 가스 방출 기구가 형성된 전지케이스의 투시 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3 내지 5에는 상기 기술에 따른 또 다른 하나의 예로서, 실층(seal layer)을 변형한 형태의 가스 방출 기구가 형성된 전지케이스 실링부의 측 단면도들이 도시되어 있 다.

이들 도면을 참고하면, 상기 기술은 (i) 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 열융착시 실링부의 일부에 미융착부(11)를 형성함으로써 내부 가스의 응력이 미융착부(11)에 집중되도록 하는 방법과, (ii) 도 3 내지 5에 도시되어 있는 바와 같이, 최외층(41)/금속층(42)/실층(seal layer; 43)으로 구성된 라미네이트 필름에서, 최내층에 위치하는 실층을 변형하여 타 부위보다 열융착에 의한 접착 강도를 낮게 구성하는 방법을 개시하고 있다. 방법 (ii)의 예로는, 도 3에서와 같이 실층의 일부를 제거(30)하거나, 도 4에서와 같이, 제거된 실층에 상대적으로 결합력이 낮은 고분자 수지(31)를 삽입하는 방법, 및 도 5에서와 같이, 실층의 일부에 결합력이 낮은 고분자 수지(32)를 결합시키는 방법 등이 제시되어 있다.

그러나, 본 출원의 발명자들이 수행한 실험에 따르면, 상기 기술은 가스 방출 기구가 형성된 실링부의 접착력이 약하므로, 정상적인 작동 상태에서도 상기 부분을 통해 전지셀 내부로의 수분 침투 및 전해액의 누액이 지속적으로 발생하여 전지의 안전성에 심각한 문제가 있음을 확인하였다. 더욱이, 방법 (i)의 경우, 전지 제조 과정에서 미융착부 형성을 위한 정밀 제어가 어렵고, 내부 가스에 의한 응력이 집중되는 구조이므로 전지의 정상적인 작동 과정에서 발생되는 정도의 내부 가스압에 의해서도 미융착부가 점점 확장되면서 작동 신뢰성이 크게 떨어지고 전지의 밀봉성이 낮아진다는 문제가 있다. 또한, 상기 방법 (ii)의 경우, 라미네이트 실층의 일부만을 제거하거나 별도의 수지를 삽입하는 공정 자체가 고도의 정밀한 작업을 요하는 바, 실제 양산 공정에 적용되기 어렵다는 문제가 있다.

한편, 일본 특허등록 제3,638,765호는 판상형의 전극조립체를 외장 부재에 수납하고 외장 부재의 외주부를 열융착 내지 접착제층을 통해 밀봉한 전지에서, 외주부의 일측에 외장 부재에 비해 열안전성이 높은 재질의 고분자 수지 시트를 삽입한 상태에서 밀봉함으로써, 밀봉된 부분의 일측이 다른 부분에 비해 저하된 내압 성능을 갖도록 구성하는 기술을 개시하고 있다. 또한, 일본 특허출원공개 제2001-093489호는 전극조립체를 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장함과 동시에 양극판 및 음극판에 접속된 양극 및 음극 리드를 외장 케이스의 실링부로부터 외부로 인출한 전지에서, 외장 케이스의 실링부의 일부에는 라미네이트 시트보다 융점이 낮은 열융착 수지 시트를 삽입한 상태에서 열융착을 행하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술들은 모두 삽입되는 수지 절편이 실링부의 내측 단부에서 전지셀 내부의 전해액 등에 노출되므로 심각한 문제점을 가지고 있다. 그러한 문제점을 이하에서 설명하면 다음과 같다.

이차전지의 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. 이러한 전해액은 양 극판에 도포된 활물질과 전기화학적 반응을 일으키기 위해 대부분 강한 극성을 띄고 있다. 전지셀 자체의 케이스 재질과 삽입되는 고분자 수지 시트 간의 재질의 차이는 극성이 강한 전해액과의 사이에서 반응성의 차이를 유발하게 되고, 이는 실링부의 밀봉성 약화로 직결되게 된다.

또한, 열융착되는 실링부 내에 다른 소재의 고분자 수지가 삽입되어 있는 경우에는, 비록 열융착 과정을 거친다 하더라도, 서로 다른 고분자 수지 간의 접합부분에는 미세한 크랙이 발생하게 되고, 충방전 과정을 반복적으로 거치는 과정에서 이러한 미세한 크랙 등으로 인해 전지의 수명이 단축될 수 있고, 발생된 크랙을 통해 전해액이 외부로 누액될 수 있다는 문제점이 발생한다.

특히, 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 전원으로서 중대형 전지팩에 사용되는 이차전지는 장기간의 수명이 요구되고 다수의 전지셀들이 밀집되는 특성상 안전성 확보가 매우 중요하다.

따라서, 간단한 공정에 의해 예기치 못한 상황 전개로 인해 발생할 수 있는 고압 가스를 소망하는 부위로 효과적으로 방출함으로써, 전지셀의 발화 내지 폭발이 발생하는 것을 미연에 방지하여, 전지의 수명 및 안정성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 용이하게 제조할 수 있는 구조를 통해 전지셀 내부의 고압 가스를 소망하는 부위로 효과적으로 방출함으로써, 전지에 대한 발화 내지 폭발의 위험성을 미연에 차단하여 향상된 안전성 및 작동의 신뢰성을 확보할 수 있고, 유해한 가스의 무분별한 배출로 인한 문제점을 해결할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 외측으로부터 만입된 구조의 절취부가 형성되어 있고, 상기 절취부가 형성된 부위의 실링부는 이를 제외한 다른 부위의 실링부의 폭(너비)보다 작은 폭을 갖는 것으로 구성되어 있다.

본 발명에 따르면, 전지의 비정상적인 작동 상태에서 고압 가스가 발생하여 실링부의 밀봉성이 점차적으로 해제되는 경우, 상대적으로 실링부의 폭이 짧은 절취부가 다른 부위에 비해 먼저 개방되면서 이를 통해 가스가 효과적으로 배출될 수 있으므로, 전지 내압을 저하시키고 전지의 발화 및 폭발을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 절취부의 위치에 의해 가스의 배출 위치를 용이하게 조절할 수 있으므로, 유해한 가스의 무분별한 배출로 인해 유발될 수 있는 문제점을 해결할 수 있다.

더욱이, 앞서 설명한 바와 같이, 종래에는 가스 방출 기구의 형성 공정이 매우 까다롭고 정밀 제어가 어려웠으나, 본 발명에 따른 절취부는 전지의 제조 후에 실링부의 일부를 절취하는 등의 간단한 공정을 통해 형성될 수 있으므로, 제조 공정이 매우 간단하고 전지의 생산 효율이 높다는 장점이 있다. 또한, 내측 실링부의 밀봉성이 보장되므로 외부적 충격이나 정상 상태에서 발생된 소량의 가스 등에 의해, 실링부의 밀봉성이 서서히 해제되는 등의 원인에 의한 수분 침투 및 전해액 누액 등을 방지할 수 있으므로, 작동 신뢰성이 높다.

일반적으로 실링부는 전지케이스의 외주면 부위를 열융착에 의해 결합함으로써 형성되는 바, 열융착 부위 모두에서 균일한 결합력을 갖도록 제어하는 것이 용이하지 않고, 실링부의 중심부위에 비해 실링부 양측 단부(내측 단부와 외측 단부)에서 상대적으로 결합력이 낮다.

본 발명에서, 상기 절취부는 실링부의 일부에 형성되고, 외측으로부터 만입된 구조를 갖는다. 즉, 상기 절취부는 상대적으로 결합력이 낮은 실링부의 외측 방향으로부터 수납부가 형성된 내측 방향으로 만입되어 있다. 따라서, 강한 결합력을 갖는 중심부위의 실링부에 의해 밀봉성이 유지되므로 정상 작동 조건에서 전지의 밀봉성을 최대한 보장할 수 있다.

절취부의 형성 위치는 특별히 제한되지 않으며 예를 들어 소망하는 가스 배출 경로에 따라 적절히 결정할 수 있다. 즉, 유해한 내부가스가 무분별하게 배출되는 것을 방지하기 위하여 소정의 배기 부재를 전지셀 자체 또는 팩 케이스 등에 장착할 수 있으며, 이러한 배기 부재에 연통되도록 절취부의 위치를 결정할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 절취부는 전지케이스의 중심을 기준으로 단축 상에 위치하는 양측 실링 부위의 중앙에 형성할 수 있다. 여기서, 전지케이스의 중심은 전지케이스의 장축의 중심과 단축의 중심이 교차하는 지점과 그것의 인근 부위를 의미한다. 이는, 전지 내부에서의 가스 이동 경로가 가장 짧고, 전지케이스의 부피 팽창이 가장 크게 발생하는 부위이므로 신속하고 효율적인 가스 배출이 이루어질 수 있기 때문이다.

또한, 상기 절취부가 형성된 부위의 실링부는 이를 제외한 다른 부위의 폭(너비)보다 작은 폭을 가지는 것으로 구성되어 있다.

일반적으로 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지에 있어서, 전지 내에서 발생된 가스는 실링부의 열융착 부위에 압력을 가하고, 가스 압력이 실링부의 결합력을 초과할 때 실링부가 개방되면서 외부로 배출된다. 따라서, 고압 가스가 배출되는 시점은 실링부의 폭 길이에 의해 결정되며, 본 발명에 따른 이차전지는 절취부가 형성된 부위의 실링부의 폭이 다른 실링부의 폭보다 짧으므로, 절취부가 형성된 부위가 우선적으로 개방될 수 있다.

한편, 상기 절취부는 전지의 정상적인 작동 범위에서는 전지의 밀봉성이 약화되는 것을 방지하기 위해, 열융착에 의한 결합력이 높은 실링부를 제외한 부분에 형성될 수 있다.

이러한 점을 고려하여 하나의 바람직한 예에서, 절취부가 형성된 실링부를 제외한 다른 부위의 실링부의 폭(w)에 대한 절취부의 폭(w')의 비율(w'/w)은 20 내지 70%일 수 있고, 더욱 바람직하게는 30 내지 50%일 수 있다. 따라서, 절취부가 형성된 부위의 실링부의 폭은 다른 실링부의 폭에 대해 30 내지 80%일 수 있다.

상기 절취부의 폭이 너무 짧은 경우, 즉, w'/w의 값이 너무 작은 경우에는 가스의 배출 경로의 감소 정도가 미미하여 소망하는 정도의 우선적 개방 효과를 발휘할 수 없다. 반대로, w'/w의 값이 너무 큰 경우에는 작동 신뢰성이 낮아져 외부적 충격에 의해서나 정상 상태에서 발생될 수 있는 소량의 가스에 의해서도 쉽게 전지의 밀봉성이 해제되어 전해액의 누액 등이 발생할 수 있으므로 전지의 안전성에 문제가 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 절취부가 형성된 부위의 실링부에는 내측에서부터 만입된 구조의 만입부('내측 만입부')가 추가로 형성되어 있는 것으로 구성될 수 있다. 이에 따라, 전지 내부 가스의 응력이 내측 만입부에 집중되어 절취부에서의 가스 배출이 더욱 신속하게 이루어질 수 있다.

그러나, 이러한 내측 만입부는 앞서 설명한 일본 특허출원공개 제2001-093489호의 경우보다는 작은 폭으로 이루어져 있다. 즉, 상기 내측 만입부의 폭(w")은 상대적으로 내부 가스의 응력이 집중될 수 있는 정도라면 충분하고, 상기 출원에서와 같이 큰 경우에는 오히려 전지의 밀봉성이 저하되어 수분 침투나 전해액 누액 등의 문제가 발생될 수 있으므로 문제가 있다. 이러한 점을 고려하면, 상기 내측 만입부의 폭은 절취부의 폭보다 작은 범위에서 다른 실링부의 폭을 기준으로 1 내지 10%의 크기를 가지는 것이 바람직하다.

상기 내측 만입부가 형성된 절취부의 경우에도 앞서 설명한 바와 같이 정상 상태에서 밀봉성을 유지할 수 있는지 여부와 작동 신뢰성을 담보할 수 있어야 하므로, 절취부의 폭(w')보다 짧은 폭을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 다른 실링부의 폭에 대한 만입부와 절취부의 폭의 합, 즉, (w'+w")/w는 절취부만 형성된 경우에서와 같이, 20 내지 70%가 바람직하고, 30 내지 50% 가 더욱 바람직하다.

상기 절취부 및 만입부의 길이(높이)나 개수는 특별히 제한되지 않으며 전지케이스의 크기나 예측되는 가스의 압력, 형성 공정의 작업성 및 효율성을 고려하여 적절히 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 절취부가 2 개 이상인 경우 바람직하게는 전지케이스의 중심을 기준으로 서로 대향하는 위치의 실링부 상에 형성될 수 있다.

상기 절취부는 바람직하게는 전지케이스의 중심을 기준으로 단축 상에 위치하는 일측 또는 양측 실링부의 중앙에 형성될 수 있다. 이는, 내부 가스가 전지의 중앙부에 주로 집중되고, 단축 상으로 이동이 가장 빠르기 때문이다.

또 다른 예로서, 상기 절취부는 상기 단축 상의 일측 실링부에만 형성되고, 절취부가 형성된 측의 실링부 외주면은 곡선의 형상으로 구성될 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 절취부가 형성된 측의 실링부 외주면은 절취부를 중심으로 각각 반원형의 곡선으로 형성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 전지에서 발생된 내부 가스가 일정 이상의 압력을 가지면 절취부에서 우선적으로 실링부가 분리되면서 밀봉성이 해제되어 가스가 배출된다. 이 때, 절취부의 외측 단부면을 비롯한 외주면이 곡선형을 이루고 있으며, 해당 부위의 넓은 실링 면적에 의해 절취부에서의 선택적인 개봉(실링부의 분리)을 담보할 수 있기 때문이다.

반면에, 실링부 외주면의 단부(양측 단부)에서는 실링부의 분리가 거의 일어나지 않기 때문에, 상기 곡선 형상의 외주면 단부의 폭은 절취부가 형성되어 있지 않은 측의 다른 실링부의 폭보다 짧을 수도 있다.

상기 절취부 및 내측 만입부의 형상은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 반원, 삼각형, 직사각형 또는 사다리꼴로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 반원 형상일 수 있다.

상기 절취부의 형성 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고 수납부의 외주면 실링부를 열융착한 후, 후처리 공정으로 실링부의 외측으로부터 만입된 구조를 갖는 형태로 실링부를 절취하여 형성될 수 있다. 따라서, 간단하고 용이한 방법으로 형성될 수 있어서 작업 효율이 우수하다.

또한, 상기 내측 만입부의 형성은, 예를 들어, 열처리 온도, 열처리 시간, 압력 등의 열융착 조건을 달리 설정하는 방법 등을 고려할 수 있지만, 그것으로 한정되는 것은 아니다.

상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트, 특히, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

상기 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성되어 있으며, 상기 외측 피복층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 연신 나일론 필름 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 베리어층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 상기 내부 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(cPP)이 사용될 수 있다.

상기 전극조립체는 양극과 음극 및 그 사이에 개재되어 있는 분리막으로 이루어진 구조라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

본 발명에 따른 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히, 리튬 함유 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지팩을 제공한다.

본 발명에 따른 이차전지는, 특히, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 고출력 대용량의 전지, 또는 이러한 전지를 단위전지로서 다수 개 포함하는 중대형 전지팩에 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 전지팩은, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 동력원으로 사용될 수 있다.

이러한 중대형 전지팩의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 절취부가 형성된 구조의 이차전지의 투시 단면도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6에 따른 이차전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 이차전지(100)는 전극조립체(도시하지 않음), 이를 수용하는 전지케이스(300), 및 전극조립체의 전극 탭들과 전기적으로 연결된 두 개의 전극리드(420, 421)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

두 개의 전극리드(420, 421)는 전극조립체의 각 극판으로부터 연장된 전극 탭들(도시하지 않음)과 용접 등의 방법으로 전기적으로 연결되어 있고, 전지케이스(300)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(420, 421)의 상, 하면 일부에는 전지케이스(300)와의 밀봉력을 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(430)이 부착되어 있다. 양, 음극의 두 개의 전극리드(420, 421)는 본 도면에서와 같이 서로 대향하는 위치에 형성되어 있을 수도 있고, 동일한 방향에 나란히 위치할 수도 있다.

전지케이스(300)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 수용할 수 있는 수납부가 형성되어 있으며, 수납부의 외주면 실링부에서 상부 전지케이스와 하부 전지케이스가 열융착에 의해 결합됨으로써 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.

실링부(310)에는 외측으로부터 내측 방향으로 만입된 구조의 절취부(210)가 형성되어 있다. 통상적으로 전지 내부에서 가스가 발생할 때, 전지케이스(300)는 중심(M) 부위에서 가장 크게 팽창하므로, 그것의 단축(S) 상에 위치하는 양측 실링부(310)에서 팽창에 따른 변형력이 가장 크게 된다. 따라서, 절취부(210)는 전지케이스(300)의 중심(M)을 기준으로 단축(S) 상에 위치하는 양측 실링부(310)의 중앙에 위치하고 있다. 따라서, 전지의 내부 가스에 의한 내압에 의해 절취부(210)에서 우선적으로 실링부가 분리되면서 밀봉이 해제되게 되어, 이를 통해 가스가 배출된다.

절취부(210)가 형성된 부위에서 실링부의 폭(w-w')은 다른 실링부의 폭(w)에 비해 작고, 절취부(210)의 폭(w')은 다른 실링부의 폭(w)을 기준으로 20 내지 70%의 크기를 갖는 것이 바람직하다.

한편, 본 도면에서는 전극리드(420, 421)는 전지케이스(300)의 중심(M)을 기준으로 장축(L) 상에 위치하는 양측 실링부(310)로부터 외부로 돌출되어 있다. 즉, 전극리드(420, 421)가 형성되는 부위는 높은 밀봉성과 절연성이 유지될 필요가 있으므로, 절취부(210)의 형성 위치는 전극리드(420, 421)가 형성된 부위와 다른 것이 바람직하다.

도 8에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차전지의 투시 단면도가 도시되어 있다.

도 8을 참고하면, 전지케이스(300)의 외주면 실링부(310)에는 외측으로부터 만입된 구조의 절취부(211)가 형성되어 있고, 절취부(211)에 대향하는 위치에 실링부(310)의 내측으로부터 만입된 구조의 내측 만입부(212)가 형성되어 있다.

전지의 내부 가스의 응력은 내측 만입부(212)로 집중되므로 절취부(211)에 가해지는 가스 압력이 증가되므로 보다 신속하게 배출이 이루어질 수 있다. 내측 만입부(212)의 폭(w")은 내부 가스의 응력이 집중될 수 있을 정도면 충분하므로 다른 실링부의 폭 (w)을 기준으로 1 내지 10% 정도일 수 있다. 또한, 정상 상태에서 전지의 밀봉성을 담보할 수 있도록 내측 만입부(212)의 폭(w")은 절취부(211)의 폭(w')에 비해 작고, 절취부(211)의 폭(w')과 내측 만입부(212)의 폭(w")의 합은 다른 실링부의 폭(w)을 기준으로 20 내지 70%의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 절취부(211) 형성 부위에서의 실링부의 폭, w-(w'+w")은 다른 실링부의 폭(w)에 대하여 40 내지 80%인 것이 바람직하다.

한편, 본 도면에서 절취부(211) 및 내측 만입부(212)의 형상은 타원형의 형상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 또한 전극 단자(420, 421)가 돌출되는 부위를 제외한 실링부(310)의 모든 위치에 형성될 수 있음은 물론이다.

도 9에는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이차전지의 투시 단면도가 도시되어 있다.

도 9를 참고하면, 절취부(212)는 전지케이스(300)의 중심(M)을 기준으로 단축(S) 상에 위치하는 실링부(311, 312) 중 우측 실링부(311)의 중앙에만 형성되어 있다. 또한, 절취부(212)가 형성된 우측 실링부(311)의 외주면은 절취부(212)를 중심으로 상, 하 외주면이 반원형의 곡선의 형상으로 이루어져 있다. 이에 따라, 우측 실링부(311)의 외주면 단부의 폭(W₂)은 절취부가 형성되어 있지 않은 좌측 실링부(312)의 단부의 폭(W₁)보다 작게 된다. 따라서, 절취부(212)를 중심으로 상하 실링부(311)가 넓은 실링 면적을 가지게 되므로, 내부에 발생한 가스가 높은 신뢰성으로 절취부(212)를 통해 외부로 배출되는 것이 가능해진다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

양극은 일반적으로 알려진 조성으로 리튬 코발트 산화물, PVdF 및 도전재의 슬러리를 알루미늄 집전체 위에 코팅하여 제조하였고, 음극은 일반적으로 알려진 조성으로 흑연, PVdF 및 도전재의 슬러리를 구리 집전체 위에 코팅하여 제조하였다.

상기 양극과 음극 사이에 이들보다 다소 큰 크기로 재단된 분리막을 개재시켜 전극조립체를 조립하고, 각각 수납부가 형성된 상부 케이스와 하부 케이스로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스 내부에 전극조립체를 장착하였다.

상기 라미네이트 시트는 무연신 폴리프로필렌(cPP) 재질의 내측 수지층, 차단성 알루미늄 금속층 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 재질의 외측 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있다.

상부 케이스와 하부 케이스에서 수납부의 외주면에 형성된 실링부를 열융착하여 상호 결합시킨 후, 도 6에서와 같이 전지케이스의 중심을 기준으로 단축인 길이 방향의 좌, 우측 실링부의 중앙 위치에 외측에서 내측으로 절취함으로써 절취부를 형성하였다. 절취부의 형상은 타원형으로 형성하였고, 절취부의 폭은 다른 실링부의 폭을 기준으로 약 30% 이었다.

[실시예 2]

상기 열융착시 히팅 지그의 형상을 변경하여, 절취부를 형성하고자 하는 부위의 실링부에서 5%의 폭을 갖고, 내측으로부터 만입된 구조의 내측 만입부를 추가로 형성하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[실시예 3]

절취부를 우측 실링부의 중앙 위치에만 형성하고, 절취부가 형성된 우측 실링부의 외주면을 도 9에서와 같이, 절취부를 중심으로 상, 하 부위를 반원형의 곡선으로 절취하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[비교예 1]

절취부를 형성하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[비교예 2]

절취부를 형성하지 않았고, 도 2에서와 같이, 상기 열융착시 30%의 폭을 갖는 내측 만입부 만을 형성하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1 내지 3와 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 30 개의 전지들을 약 90도의 챔버에 넣고 전지의 팽창을 유발한 후, 전지의 발화 또는 폭발 발생 여부, 내부 가스의 배출 방향, 및 가스 배출시의 전지 팽창 편차를 확인하였다. 상기 배출 방향은 내부 가스가 배출될 때 개방되었던 실링부의 위치 수로 결정하였다. 즉, 모든 전지들이 동일한 곳의 실링부가 개방되는 경우에는 1로서 설정하고, 일부 전지들의 경우 다른 위치에서 실링부 개방되는 경우에는 그러한 개방 위치 수를 가산하는 방식으로 설정하였다. 또한, 가스 배출시의 전지 팽창 편차를 가스 배출시 최대 팽창도를 나타낸 전지의 두께를 기준으로 최저 팽창도를 나타낸 전의 폭을 백분율로 환산하였다.

<표 1>

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3의 전지들은 고온 조건에서 전지가 팽창하더라도 내부 가스의 효과적인 배출에 의해 전지의 발화 또는 폭발이 발생하지 않았다. 또한, 내부 가스도 일 방향 또는 양 방향으로만 배출되었다. 그러나, 비교예 1의 전지들은 다수의 전지에서 발화 또는 폭발이 확인되었고, 내부 가스의 배출시 개방되는 부위도 각각 달랐다.

한편, 비교예 2의 전지들은 실시예 1 및 2의 전지들과 마찬가지로 발화 또는 폭발이 일어나지 않았고, 만입부가 형성된 부위만으로 내부 가스가 배출되었다. 반면에, 배출이 일어나는 시점, 즉, 실링부가 개방되는 시점에서의 전지의 팽창도에 큰 편차를 나타내었다. 즉, 만입부에 가압된 내부 가스로 인한 응력이 집중됨에 따라 낮은 평창 상태에서 실링부가 개방되는 현상이 확인되었다. 이러한 팽창 편차는 비교예 1의 전지들보다도 높은 경향이 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전지케이스의 실링부에 외측으로부터 만입된 구조의 절취부가 형성되어 있어서, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 절취부에서 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 소망하는 부위로 선택적으로 배출할 수 있으므로, 전지에 대한 발화 내지 폭발의 위험성을 미연에 차단하여 전지의 안전성을 현저하게 향상시키고, 유해 가스의 무분별한 배출로 인한 문제점을 해소할 수 있다. 더욱이, 이러한 절취부는 전지의 제조 공정에서 용이하게 형성할 수 있으므로, 전지의 제조비용 상승을 유발하지 않는다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;

도 2는 종래의 방법에 따른 하나의 예에서, 미융착부인 가스 방출 기구가 형성된 전지케이스의 투시 단면도이다;

도 3 내지 5는 종래의 기술에 따른 또 다른 하나의 예에서, 실층을 변형한 가스 방출 기구가 형성된 전지케이스 실링부의 측단면도들이다;

도 6 및 도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 절취부가 형성된 이차전지의 투시 단면도 및 사시도이다;

도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 절취부가 형성된 이차전지의 투시 단면도이다.

도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 절취부가 형성된 이차전지의 투시 단면도이다.

Claims (15)

1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 외측으로부터 만입된 구조의 절취부가 형성되어 있고, 상기 절취부가 형성된 부위의 실링부는 이를 제외한 다른 부위의 실링부의 폭(너비)보다 작은 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부의 폭은 다른 부위의 실링부의 폭을 기준으로 20 내지 70%의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부는 전지케이스의 중심을 기준으로 단축 상에 위치하는 일측 또는 양측 실링부의 중앙에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 절취부가 일측에만 형성되어 있는 경우, 절취부가 형성된 측의 실링부 외주면은 곡선의 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 곡선 형상의 실링부 외주면에서 단부의 폭은 절취부가 형성되어 있지 않은 대향 실링부의 폭보다 짧은 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부의 형상은 반원, 삼각형, 직사각형 또는 사다리꼴로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부가 형성된 부위의 실링부에는 내측으로부터 만입된 구조의 내측 만입부가 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 내측 만입부의 폭은 다른 부위의 실링부의 폭을 기준으로 1 내지 10%의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 내측 만입부의 폭은 절취부의 폭보다 작고, 내측 만입부의 폭과 절취부의 폭의 합이 다른 부위의 실링부의 폭을 기준으로 20 내지 70%의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부는 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고 수납부의 외주면 실링부를 열융착한 후, 실링부의 외측으로부터 만입된 구조를 갖는 형태로 실링부를 절취하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지 모듈.

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