KR101384901B1 - 파우치형 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 파우치형 이차 전지는, 제 1 전극, 제 2 전극, 이들 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터가 적층되거나, 적층 권취되어 이루어지는 전극 조립체와 파우치형 케이스를 구비하여 이루어지며, 파우치형 케이스는 전극 조립체를 수용하는 적어도 일 부분을 형성하며 제1 금속층을 가지는 제1 파우치부와 외부에 드러나는 적어도 일 부분을 형성하며 제2 금속층을 가지는 제2 파우치부를 함께 가지는 것을 특징으로 한다. 이때, 제1 파우치부의 제1금속층과 제2 파우치부의 제2 금속층은 열간 압연을 통해 결합된 부분을 통해 이어지는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 파우치의 외장을 이루는 적어도 일부를 기계적으로 강한 금속층을 가지도록 형성할 수 있어 별도의 하드 케이스 없이도 파우치의 외장 일부가 그대로 전지 팩의 외장 일부를 형성하여 전기 전자 기기에 장착될 수 있도록 한다.
파우치, 외장재, 금속층, 케이스

Description

파우치형 전지{Pouch type Battery}
본 발명은 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외장 케이스로 파우치를 사용하는 파우치형 전지에 관한 것이다.
리튬 이차 전지는 리튬과 수분의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 이 전해질은 리튬염을 함유하는 고체 폴리머이거나, 리튬염이 유기 용매에서 해리된 액상일 수 있다. 리튬 이차 전지를 전해질 종류에 따라 구분해 보면, 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속전지와 리튬 이온전지, 그리고 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다.
완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 유기 전해액의 누출문제가 없고, 유기 전해액을 함유하는 겔형 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 유기 전해액의 누출 문제가 발생될 수 있다. 그러나, 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 비교할 때 리튬 이온 폴리머 전지의 경우 전해액의 누출 문제는 보다 간단한 형태로 방지될 수 있다. 가령, 리튬 이온 폴리머 전지는 금속 포일과 이 포일의 상하면을 덮는 하나 이상의 폴리머 막으로 구성된 다층막 파우치를 리튬 이온 전지의 금속캔(can) 대신 사용할 수 있다.
파우치를 사용할 경우에는 금속캔을 사용할 때보다 전지의 무게를 줄일 수 있고, 두께를 얇게 할 수 있으며, 형태를 비교적 자유롭게 변경할 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 리튬 이차 전지의 일 예에서 파우치가 밀봉되기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.
종래의 파우치형 리튬 이차전지는 전극 조립체(30), 전극 조립체를 수용하는 파우치(20)를 구비하여 이루어진다.
도 1을 참조하여 파우치형 리튬 이차 전지의 일반적 형성 방법을 살펴보면, 우선, 대략 직방형인 파우치막의 중간을 접철하여 파우치(20)의 전면(21) 및 후면(22)을 이룬다. 후면(22)에는 프레스(press)가공 등을 통해 전극 조립체가 수용될 수 있는 홈(223)이 형성된다. 홈을 형성하면 이후 공정에서 전극 조립체(30)를 설치하기 용이하여 공정을 용이하게 할 수 있고, 홈(223)을 중심으로 파우치(20)의 주변 실링부를 정리할 수 있으므로 파우치가 콤팩트하게 형성될 수 있다.
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 양극(31)과 음극(35)의 단락을 막기 위해 롤(roll)의 외부로 드러나는 전극면 혹은 내부 전극면에는 세퍼레이터가 덧붙여진다. 형성된 젤리 롤은 파우치의 후면 홈(223)에 놓여지고 플랜지 형태의 가장자리부(225)에서 파우치(20) 전면(21) 및 후면(22)을 밀착시킨 상태에서 가열 가압하여 파우치 밀봉을 실시하여 베어 셀 전지를 형성한다.
전극 조립체(30)의 양극(31)과 음극(35)을 파우치 외부와 전기적으로 연결하 기 위해 양극(31) 및 음극(35)의 일 측에는 전극 탭(37, 38) 혹은 전극 리드가 형성된다. 이들 전극 탭(37, 38)은 젤리 롤이 권취되는 방향과 수직방향으로 젤리 롤에서 돌출되도록 형성하고, 파우치의 밀봉되는 한 변을 통과하여 인출된다.
파우치 밀봉 과정에서 파우치 내면의 폴리머막과 전극 탭(37, 38)을 이루는 금속 사이의 접착을 강화하기 위해 폴리머막 표면에 특정 성분을 함유시키거나, 밀봉 전 전극 탭(37, 38)이 파우치 외장재(20)의 사이의 단락을 방지하기 위한 절연 테이프(39)을 더 구비할 수도 있다.
파우치 밀봉이 이루어져 형성된 베어 셀(bare cell)에 도시되지 않은 보호 회로 모듈(PCM:protecting circuit moudule)이나 PTC(positve temperature coefficient)같은 부속품 혹은 구조체가 부착되어 코어 셀(core cell)이 형성된다.
그리고, 코어 셀을 하드 케이스에 내장하여 결합시키면 완성된 하드 팩 전지가 형성된다. 근래에는 공간 절약이나 공정의 단순화를 위해 별도의 하드 케이스 없이 핫 멜트 수지로 회로 기판 기타 보호장치가 부착된 파우치 전지의 길이 방향 양단을 마감하여 완성된 전지 외형을 이루는 형태도 개발되고 있다.
그런데, 파우치 전지 분야에서도 전지의 소형 고용량화 경향에 따라 파우치 외장재의 두께를 얇게 하면서도 외력에 의한 파손을 방지하기 위해 일정한 기계적 강도를 갖도록 요구되는 경우가 많다. 이런 상반되기 쉬운 두 요건을 동시에 만족시키기 위해 파우치의 일부를 확장하여 확장된 부분이 전극조립체를 수용하는 다른 부분을 감싸도록 전지 외장재를 구성하는 경우가 생겨나고 있다.
통상, 파우치는 외부 습기와 공기 성분의 내부 유입을 방지하기 위한 베리어 층으로 알미늄과 같은 금속박을 사용한다. 알미늄은 가볍고 연성, 전성이 풍부하여 얇은 박으로 만들기 쉽기 때문이다.
그러나, 알미늄은 기계적 강도나 경도가 작아 파우치 자체나 파우치 확장부를 외장체로 사용할 경우, 날카로운 물건에 긁히거나, 눌림에 의해 전지의 밀봉이 깨어지고, 전지를 사용할 수 없게 되는 위험이 크다. 그러나, 외력에 의한 파손을 막기 위해 알미늄 박의 두께를 두껍게 하는 것은 전지의 소량 대용량화에 방해가 되고, 자재 비용도 높아지는 문제가 있다.
한편, 스틸 재질로 파우치를 형성하는 것은 딥드로잉 등 파우치에서 전극조립체가 수용될 부분을 가공하기가 좋지 않다는 문제가 있었다.
본 발명은 전극 조립체를 수용하는 파우치 부분 가공성을 양호한 상태로 유지시키면서 외부로부터의 손상에 강한 외장재를 가지는 파우치형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 전체적으로 얇은 두께를 유지하면서 외부로부터의 손상에 강한 외장재를 가지는 파우치형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파우치형 이차 전지는, 제 1 전극, 제 2 전극, 이들 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터가 적층되거나, 적층 권취되어 이루어지는 전극 조립체와 파우치형 케이스를 구비하여 이루어지며, 파우치형 케이스는 전극 조립체를 수용하는 적어도 일 부분을 형성하며 제1 금속층을 가지는 제1 파우치부와 외부에 드러나는 적어도 일 부분을 형성하며 제2 금속층을 가지는 제2 파우치부를 함께 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제1 파우치부의 제1금속층과 제2 파우치부의 제2 금속층은 열간 압연을 통해 결합된 부분을 통해 이어지는 것일 수 있다.
그리고, 제1 파우치부와 제2 파우치부에서 연결 형성된 제1 금속층과 제2 금속층에 적층된 내면 혹은 외면 폴리머층은 두 부분이 연결 형성된 금속층과 달리 이음매 없는 일체로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 제1 파우치부는 가공을 통해 전극 조립체가 수용될 홈을 형성하는 부분이 될 수 있고, 제2 파우치부는 그 홈을 덮는 덮개부나 덮개부에서 연장되어 제1 파우치부의 외면 적어도 일부를 감싸는 부분일 수 있다.
본 발명에서 제1 금속층은 알미늄층일 수 있고, 제2 금속층은 스테인레스 스틸, 기타 스틸 재질일 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 파우치와 달리 전극 조립체를 수용하는 파우치의 외장을 이루는 적어도 일부를 기계적으로 강한 금속층을 가지도록 형성할 수 있어 별도의 하드 케이스 없이도 파우치의 외장 일부가 그대로 전지 팩의 외장 일부를 형성하여 전기 전자 기기에 장착될 수 있도록 한다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도2 내지 도5는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 파우치의 형성 방법을 나타내는 측단면도이다.
도2를 참조하면, 우선 파우치 재료로 일부가 겹쳐진 두 금속층으로 이루어지는 전체 금속층(130), 가령 알미늄층(120)과 스테인레스 스틸층(110)이 길이 방향으로 진행하면서 열간 압연 롤러(210)를 거치게 된다. 두 금속층이 겹쳐진 부분은 롤러(210)로부터 더 많은 압력과 열을 전달받아 부분적으로 융합되며 물리적으로 쉽게 떨어지지 않도록 결합된 상태를 나타낸다.
도3 내지 도5를 참조하면, 두 금속층 결합에 이어서 결합된 금속층(130) 상하면에 수지층 라미네이팅이 실시된다. 파우치 외장 수지층(150)을 이루기 위해 금속층(130) 상면에는 인장력이 크고 쉽게 천공되지 않는 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 같은 재질이 사용될 수 있다. 서로 마주보며 융착될 파우치의 내면 수지층(140)을 이루기 위해 금속층(130) 하면에는 융착이 용이하고, 절연성, 신율이 우수한 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 사용될 수 있다. 금속층과 수지층 사이에는 접착층이 개재될 수 있고, 각각의 수지층도 여러 종류의 수지로 이루어지는 복합층일 수 있다. 이렇게 형성된 파우치 원단(160)은 파우치 전지를 형 성하기 위한 적합한 크기로 절단된다. 파우치 원단(160)이 절단되어 이루어지는 각각의 파우치 부재(170)는 알미늄으로 형성된 부분과 스테인레스 스틸로 형성된 부분 및 이들이 겹치는 좁은 결합부(178)를 가진다.
각 파우치 부재의 알미늄으로 형성된 부분을 하부(174)라 하고 하부(174)에 딥 드로잉 가공을 통하여 전극조립체가 수용될 홈(176)을 형성한다. 홈은 통상 직육면체 형태로 위쪽이 열린 공간으로 이루어진다. 이때 홈 형성부는 전성, 연성이 높고 가공성이 뛰어난 알미늄으로 이루어지므로 홈 모서리부 등에서 금속층이 파열될 염려가 적다. 이때 알미늄층과 스테인레스 스틸층이 겹친 결합부(178)가 홈(176) 주변의 플랜지부를 형성하도록 할 수도 있다.
홈(176)이 형성된 파우치 부재(170)에서 스테인레스 스틸 부분을 상부(172)라 하면 상부(172)가 하부(174)에 형성된 홈(176)의 열린 부분을 덮도록 파우치 부재(170)가 접혀진다. 결합부(178)에서 이루어질 수 있는 접힘 부분은 홈 형성 전이나 홈 형성과 함께 형성될 수도 있다. 그리고, 이때에는 미도시된 전극 조립체가 홈에 수용된 상태가 된다.
이상의 실시예에서는 이차전지를 이루는 파우치 부재(170)에서 금속층이 알미늄으로 이루어지고 홈이 형성되는 하부(174)와 금속층이 스테인레스 스틸로 이루어지고 홈(176)을 덮는 상부(172)가 거의 같은 면적으로 형성되었다. 그러나, 도6에 도시된 경우와 같이 홈의 덮개를 이루는 상부(172') 폭이 하부(174')의 폭보다 길게 형성되어 하부(174')의 홈을 덮어 파우치를 밀봉시킨 후에도 남는 부분이 밀봉된 파우치를 감아 상대적으로 기계적 강도가 약한 하부 알미늄층을 바깥쪽에서 보완할 수 있다. 상부(172') 폭이 충분히 넓게 형성되어 상부(172')만으로 하부 알미늄층 부분을 전부 덮어 파우치를 한바퀴 감싸게 되면 파우치 전체의 외장은 스테인레스 스틸층으로 보호된다. 따라서, 별도의 수지재질의 하드 팩 형성용 외장재 없이도 외부로부터의 손상에 효율적으로 전지를 보호할 수 있게 된다.
한편, 도7에서는 파우치 부재(180)에서 가운데 알미늄 금속층 부분인 하부(184)가 형성되고, 알미늄층(120) 부분 양쪽으로 스테인레스 스틸층(110) 부분인 상부(182)가 형성된 상태를 나타낸다.
스테인레스 스틸층(110) 부분인 상부(182)는 알미늄층(120) 부분인 하부(184)의 홈(186)을 덮도록 양쪽에서 알미늄층(120) 부분인 하부(184)의 위쪽으로 절곡된다. 그리고, 홈(186)의 위쪽 중앙 부근에서 그 말단 부분이 서로 만나 파우치 내면을 이룰 수지층(140)으로 폴리프로필렌층을 서로 마주한 상태로 폴리프로필렌층 융착을 통해 부착된다. 이런 상태에서 열려진 파우치 부재의 전후 단이 열압착을 통해 실링되면 전극 조립체를 수용한 상태의 밀봉된 파우치 베어셀이 이루어진다.
도8 내지 도11은 도7의 단면도에 나타난 파우치 부재가 파우치를 형성하는 방법을 보다 자세히 나타내는 사시도이다.
도시된 실시예에서 파우치 부재는 보는 방향을 바꾸어, 전반적으로 알미늄 금속층 하부를 후면부로, 스테인레스 스틸층 상부를 전면부로 표시하면, 후면부는 전극 조립체가 놓이는 홈의 측벽과 홈의 저면 및 홈 주변의 마주보는 한쌍의 제1 측변에서 연장되는 플랜지부를 포함하여 이루어지고, 전면부는 홈 주변의 마주보는 다른 한쌍의 제2 측변 및 제2 측변과 연결되는 상기 플랜지부 측변에서 홈에 위치하는 전극 조립체를 덮도록 연장 형성된 두 연장부를 가진다. 전면부의 두 연장부의 단부 일부가 서로 겹쳐 융착되고, 상기 플랜지부와 겹치는 전면부 부분도 적어도 일부에서 플랜지부와 융착됨으로서 전체적으로 실링된 파우치를 이루게 된다.
한편, 본 발명 파우치형 전지에서 후면부의 두 부분의 단부를 겹쳐서 융착할 때에는 두 단부에 일정한 인장력을 인가하여 서로 당기는 힘이 작용하도록 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제2 측변이 있는 단측면을 전극 조립체의 해당 부분 외면에 대응하는 곡면으로 형성하는 것이 용이하게 되며, 파우치 베어셀에서 파우치 케이스에는 전극 조립체의 외주연부를 감싸는 방향으로 인장력이 인가된 상태가 된다.
도8은 홈이 형성된 파우치 부재(40)에 전극 조립체(30)가 위치한 상태를 나타낸다. 홈(43)은 저면 및 네 측면의 파우치 벽체로 이루어진다. 저면과 측면이 만나는 모서리는 부드러운 곡면을 이루도록 딥드로잉을 통해 홈(43)을 형성한다. 홈(43)은 평면상 직사각형으로 이루어지며, 알미늄층 부분인 홈과 그 주변의 짧은 두 측변(제1 측변)에서는 플랜지부(42,44)가 형성되어 있다. 홈(43)과 플랜지부(42,44)의 양 쪽으로는 (제2 측변에 연결된 부분)에는 스테인레스 스틸층을 가지는 두 부분의 연장부(46,48)가 위치한다. 두 연장부(46,48)는 같은 폭으로 형성될 수 있다. 이런 형태는 평편한 4각형 파우치 외장재(40)의 홈(43) 부분을 딥드로잉 가공하여 형성할 수 있다.
제 1전극 탭(37) 및 제 2 전극 탭 (38)은 파우치 외장재(40)의 상부 플랜지 부(42)를 통하여 외부로 인출되며, 파우치 밖에서 보호 회로 모듈(미도시)과 전기적으로 연결될 수 있다.
전극 탭이 인출되는 부분에는 전극 탭이 상부 플랜지부를 가로지르게 된다. 이때, 파우치막의 금속박을 통해 서로 단락되지 않고, 파우치 실링을 돕도록 전극 탭이 인출되는 부분에는 수지 테이프(절연 테이프)가 설치된다.
도8의 상태에서 파우치 외장재(40)의 홈(43) 및 플랜지(42,44)로 이루어진 부분과 두 연장부(46,48) 사이의 경계를 따라 연장부(46,48)가 홈(43)에 놓인 전극 조립체(30)를 덮도록 접철된다. 접철된 연장부의 서로 만나는 두 단부(461,481)와 전극 탭(37,38)이 인출되는 상부 플랜지부(42)에 대한 융착이 이루어져 상부 실링부(52) 및 전면 실링부(51)가 형성된 도9a 및 도9b의 상태가 된다. 연장부(46,48)의 두 단부는 파우치막의 내측에 위치하는 열융착성 수지층이 서로 대향하도록 하여 융착을 실시하고, 도9b와 같이 융착된 전면 실링부(51)를 접어서 파우치의 다른 연장부 부분에 닿도록 한다.
한편, 연장부(46,48)의 두 단부(461,481)를 융착시킬 때에는 두 단부를 파우치 폭의 중앙쪽으로 당겨서 융착을 실시한다. 두 단부가 당겨지는 과정에서는 두 단부(461,481)는 원래 파우치 폭의 외측을 향하던 것이 파우치 폭의 내측을 향하게 된다. 따라서, 파우치 외장재에 홈을 형성하면서 이루어진 파우치 홈의 장측변과 연장부(46,48)가 연결되는 부분의 각진 형태가 펴지게 된다. 동시에 홈 내부의 전극 조립체 외면이 지지 기준면이 되어 파우치 홈의 장측변 부분에 전극 조립체 외면과 같은 형태의 곡면이 형성되면서 파우치 베어셀의 좁은 측면(53)은 전체가 곡 면을 이루게 된다.
도10을 참조하면, 전극 탭이 인출되는 상부 실링부인 제1 실링부(52) 반대편에도 제2 실링부가 있고, 이 제2 실링부에는 도9a의 상태에서 열융착이 이루어지지 않아 내부 전극 조립체로 전해액(60)을 공급하는 통로가 될 수 있다. 개방된 제2 실링부를 통해 파우치 내부에 전해액(60)이 주입된다.
따라서, 전해액이 주입되는 방향에 대향하여 전극판과 세퍼레이터 사이의 틈이 보이는 전극 조립체의 상면 혹은 하면이 드러나게 된다. 그러므로, 전해액이 쉽게 전극 조립체 내로 유입될 수 있다. 실시예에 따라서는 전극 탭이 인출되는 제1 실링부(52) 일부가 개방된 상태로 있고, 반대편 제2 실링부가 실링되어 전해액이 파우치(50)의 제1 실링부(52)를 통해 주입되도록 할 수도 있다.
도11을 참조하면, 전해액이 주입된 도10의 상태에서 개방된 플랜지 부분에 대한 열융착을 하여 파우치의 하부 실링부(57)를 형성하고, 파우치가 완전히 외부로부터 밀봉되도록 한다. 하부 실링부(57)는 절곡되어 파우치(50)의 하면(55)을 커버하도록 할 수 있다.
이상의 실시예들과 같이 형성되는 파우치형 베어셀을 이용하면 베어셀의 상하부에만 핫멜트 수지층이나 회로 기판을 포함하는 수지 조립체를 결합하여 그대로 혹은 얇은 수지 튜브로 감싸진 상태로 완성된 전지 팩을 이루도록 할 수 있다. 즉, 파우치 자체로 외부 손상에 대해 강한 저항력을 가지게 되므로 전지 팩의 구성을 간단하게 할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 파우치형 리튬 이차 전지의 일 예에서 파우치가 밀봉되기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.
도2 내지 도5는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 파우치의 형성 방법을 나타내는 개략적 측단면도이다.
도6은 본 발명에 따른 다른 실시예의 전지 외장용 파우치 형태를 나타내는 개략적 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에의 전지 외장용 파우치 부재를 나타내는 개략적인 측단면도이다.
도8 내지 도11은 도7의 단면도에 나타난 파우치 부재가 파우치를 형성하는 방법을 보다 자세히 나타내는 사시도이다.

Claims (7)

  1. 두 전극과 상기 두 전극 사이에서 상기 두 전극의 단락을 방지하는 세퍼레이터를 가지는 전극 조립체와
    상기 전극 조립체를 수용하는 파우치형 케이스를 구비하여 이루어지며,
    상기 파우치형 케이스는 상기 전극 조립체를 수용하는 공간의 적어도 일 부분을 형성하며 제1 금속층을 가지는 제1 파우치부와, 외부에 드러나는 적어도 일 부분을 형성하며 제2 금속층을 가지는 제2 파우치부를 함께 가지며,
    상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층은 일측에서 이음매를 통해 이어지고,
    이어진 상기 제1 금속층과 상기 제2 금속층에 적층되는 내면 수지층 혹은 외면 수지층은 이음매 없는 일체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1금속층과 상기 제 2 금속층은 열간 압연으로 결합된 부분을 통해 이어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 내면 수지층은 폴리프로필렌 재질로 이루어지고, 상기 외면 수지층은 나일론층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 파우치부에는 가공을 통해 상기 전극 조립체가 수용될 홈이 형성되어 있고, 상기 제2 파우치부는 상기 홈을 덮는 덮개부나 상기 덮개부에서 연장되어 상기 제1 파우치부의 외면 적어도 일부를 감싸는 부분인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 파우치부에는 가공을 통해 상기 전극 조립체가 수용될 홈이 형성되어 있고, 상기 제2 파우치부는 상기 홈을 덮는 덮개부나 상기 덮개부에서 연장되어 파우치의 측면 전체를 감싸는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 금속층은 알미늄층이고,
    상기 제2 금속층은 스테인레스 스틸층인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
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