KR101401230B1 - 이차전지용 외장재 및 파우치형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지셀; 상기 전지셀이 수납되도록 결합되는 상부외장재 및 하부외장재; 상기 상부외장재와 하부외장재 중 적어도 어느 하나에 형성되는 노칭부를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공한다.
이와 같이 구성된 이차전지에 따르면, 전지셀이 정상작동을 수행할 경우에는 상부외장재와 하부외장재 간에 견고하게 결합된 상태를 유지하지만, 전지셀의 이상 거동시에는 상부외장재와 하부외장재 중 적어도 하나의 노칭부가 쉽게 파단된다. 이에 따라 CID 작동을 빠르게 유도함으로써 전지의 폭발에 따른 안전사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

Description

이차전지용 외장재 및 파우치형 이차전지{Pouch for secondary battery and Secondary battery using the same}

본 발명은 전지셀의 이상 거동에 의한 고온 발생시 셀의 팽창에 따른 CID(전류차단장치)를 보다 빨리 작동시킬 수 있도록 한 이차전지용 외장재 및 파우치형 이차전지에 관한 것이다.

일반적으로 전지는 분리막(separator)에 의해 서로 분리되는 양극(cathode or positive electrode)과 음극(anode or negative electrode) 및 상기 두 전극 사이에 이온 전달을 가능하게 하는 전해질을 포함하여 전기 에너지를 공급할 수 있는 것이다.

이러한 전지는 한번 사용 후 폐기되는 일차전지(일반 전지)와, 충전을 통해 재사용이 가능한 이차전지로 구분된다.

최근에는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자 장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정 기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.

전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차전지 등이 있다.

특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬 이차전지는 양극활물질이 코팅된 양극판과, 음극활물질이 코팅된 음극판과, 상기 양극판 및 음극판 사이에 위치하는 분리막을 구비하는 전극조립체를 포함하는 구조로 이루어져 있다. 이때, 주로 양극활물질로 리튬계 산화물, 음극활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

통상적으로 이차전지 중 파우치형 이차전지는 금속 포일층과 이를 덮는 합성 수지층의 다층막으로 구성된 파우치 외장재를 구비하는데 이를 사용할 경우에는 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형 이차전지보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어, 이차전지의 경량화는 파우치형 이차전지 방향으로 발전하여 왔다.

그러나, 이러한 파우치형 이차전지는 충전을 반복하여 사용하는 중에 가스가 발생하여 상기 파우치 외장재가 팽창하는 스웰링(swelling) 현상이 발생하여 상기 전극조립체의 변형을 유발한다. 이러한 상기 전극조립체의 변형이 심한 경우에는 상기 전극조립체의 음극판과 양극판 사이에 쇼트(short)가 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 이차전지에는 PTC 소자(Positive Temperature coefficient), 서멀 퓨즈(Thermal fuse) 및 보호회로기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치 및 기타 전지 부속들이 구비된다.

안전장치들은 리드(Lead)라 불리는 도체 구조에 의해 단위 셀의 양극단자 및 음극단자와 연결되며, 전지의 고온 상승이나 과도한 충방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 경우 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지하게 한다.

그러나, 이러한 안전장치들은 회로에 문제가 발생하면 오작동의 위험이 남아 있고, 더욱이 기존의 외장재는 체결부의 체결력이 강하여 전극조립체를 수용하고 있는 상태에서 스웰링 현상이 발생하더라도 견고하게 고정된 상태를 유지하므로 CID(전류차단장치) 작동에 방해를 초래하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 과제는 전지셀의 이상 거동시 이를 감싸는 외장재가 쉽게 파단되도록 함으로써 전류차단장치의 작동이 보다 신속하게 이루어질 수 있도록 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 상부외장재; 적어도 하나 이상의 전지셀이 수납되도록 상기 상부외장재와 결합되는 하부외장재; 상기 상부외장재와 하부외장재 중 적어도 어느 하나에 형성되는 노칭부를 포함하는 이차전지용 외장재가 제공된다.

또한, 본 발명에서는 전지셀; 상기 전지셀이 수납되도록 결합되는 상부외장재 및 하부외장재; 상기 상부외장재와 하부외장재 중 적어도 어느 하나에 형성되는 노칭부를 포함하는 파우치형 이차전지도 제공된다.

상기 노칭부는 외장재의 길이 방향으로 형성된다.

상기 상부외장재와 하부외장재에는 각각 상호 체결되는 상부체결부와 하부체결부가 구비되고, 상기 상부체결부와 하부체결부 중 어느 하나에는 체결돌기가 돌출되고, 다른 하나에는 체결공이 형성된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 셀이 정상작동을 수행할 경우에는 전지셀을 감싸는 외장재가 견고하게 밀봉된 상태를 유지하지만, 전지셀의 이상 거동시에는 외장재의 상부외장재와 하부외장재에 형성된 노칭부가 쉽게 파단되고, 이에 따라 전류차단장치의 작동을 빠르게 유도함으로써 전지의 폭발에 따른 안전사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 이차전지를 보인 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 이차전지를 보인 분해 사시도.

이하에서는, 본 발명에 의한 이차전지용 외장재 및 파우치형 이차전지에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

이차전지는 전해물질에 양극과 음극을 삽입하고, 이러한 양극과 음극을 연결했을 때 전해질과 전극 사이에서 발생하는 전기화학적 반응을 이용한 전지로서, 기존의 일차전지와는 달리 전기전자제품에서 소모된 에너지를 충전기에 의해 재충전하여 반복 사용할 수 있는 충전과 방전이 가능한 전지이므로, 무선 전기전자제품과 더불어 급속한 성장을 보이고 있다.

최근 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성의 리튬-코발트 폴리머전지와 같은 리튬이차전지에 대한 수요가 높다.

이러한 이차전지에서 주요 연구과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 일반적으로 리튬 이차전지는 내부 쇼트, 허용된 전류, 전압을 초과한 충전상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발을 초래할 수 있다.

이에 따라서, 본 발명은 상술한 이차전지의 안전성을 확보할 수 있는 외장재를 제공한다. 도 1 및 도 2에는 각각 본 발명에 의한 외장재(100)에 전지셀(200)이 수납된 상태가 도시되어 있다.

이에 따르면, 본 발명의 외장재(100)는 전지셀을 수용할 수 있는 하부외장재(120)와, 이 하부외장재(120)의 상측에 결합되는 덮개 형태의 상부외장재(110)로 구분된다.

이때, 각각의 외장재는 장방형으로 이루어지며, 이차전지의 조립 과정에서 상부외장재(110)와 하부외장재(120)가 접하여 밀봉될 수 있도록 상부외장재(110) 및 하부외장재(120)의 폭 방향 양 끝단에는 각각 상부체결부(111) 및 하부체결부(121)가 상호 대응되는 방향으로 절곡되어 있다.

즉, 전지셀(200)을 감쌀 수 있도록 상부외장재(110)의 상부결합부(111)는 하향 절곡되고 하부외장재(120)의 하부결합부(121)는 상향 절곡되어 상부결합부(111)와 하부결합부(121)가 상호 포개지게 결합됨으로써, 전체적으로 파우치 형상을 가지게 된다.

한편, 전지셀이 정상작동을 수행할 경우 외장재는 단단히 체결될 필요가 있다. 따라서 상부체결부와 하부체결부 중 내측에 위치한 체결부에는 체결돌기가 돌출되고 외측에 위치한 체결부에는 체결공이 형성된다. 본 실시예의 도면에서는 하부체결부(121)가 내측에 상부체결부가 외측에 존재하기 때문에 체결돌기(122)는 하부체결부(121)에 형성되고 체결공(112)은 상부체결부(111)에 형성된다. 따라서, 상부체결부(111)와 하부체결부(121)는 체결공(112)과 체결돌기(122)의 결합에 의해 견고한 결합 상태를 유지할 수 있다.

그러나 셀의 이상 거동에 따른 고온 발생시에는 외장재의 체결력을 급격히 약화시켜 CID 작동을 신속하게 수행할 수 있어야 한다. 이를 위해서, 본 발명에서는 상부외장재(110)와 하부외장재(120) 중 적어도 어느 하나에 노칭부(113)(123)가 형성된다.

이때, 상기 노칭부(113)(123)는 장방형으로 이루어진 외장재에서 그 길이 방향으로 형성됨이 바람직하다. 즉, 노칭부는 각 체결부와 평행한 방향으로 형성되는데, 이는 굽힘 하중에 의한 외장재의 파단이 용이하기 때문이다.

만약 노칭부가 외장재의 폭 방향으로 형성될 경우, 그 길이가 상대적으로 짧고, 더욱이 폭 방향의 양 끝단에는 각각 체결부가 절곡 형성되어 있으므로 단면의 이차 관성모멘트가 증가하게 된다. 이로 인해 외장재의 폭 방향은 굽힘 하중을 보다 잘 견딜 수 있으므로 외장재의 파단이 용이하지 않게 된다.

또한, 상기 노칭부는 각 외장재의 외측면에 형성됨이 바람직하다. 전지셀의 이상 거동에 따른 스웰링 현상의 발생시 외장재는 굽힘 하중을 받게 되며, 이때 외장재의 외측면에는 인장응력이, 내측면에는 압축응력이 작용하게 된다. 이 경우, 외장재의 파단이 효과적으로 진행되기 위해서는 노칭부에 인장응력이 작용하여 노칭부의 균열이 진전될 수 있어야 하지만, 노칭부에 압축응력이 작용하는 경우에는 균열이 진전되기 어렵다.

이와 같이, 본 발명에 의한 이차전지는 정상 작동시에는 상부외장재(110)와 하부외장재(120)가 상호 견고하게 결합된 상태를 유지한다. 하지만, 셀의 이상 거동시에는 온도가 급격히 상승하게 되면서 가스가 방출되어 스웰링 현상을 유발한다. 이와 같이 스웰링 현상이 극대화되면 상부외장재(110)와 하부외장재(120) 중 적어도 하나 이상의 노칭부(113)(123)가 파단되고, 이로 인해 CID 작동을 빠르게 유도함으로써 전지의 폭발에 따른 안전사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

본 발명은 또한, 상술한 바와 같은 외장재를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 파우치형 이차전지는 양극, 음극 및 분리막을 구비한 전지셀(200)과, 이 전지셀을 감싸는 외장재(100)를 포함한다.

양극은 양극집전체 상에 양극활물질이 일부 도포된 것으로, 양극집전체는 통상 3 내지 500 ㎛의 두께로 형성된다. 이러한 양극집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

음극은 음극집전체 상에 음극활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 음극집전체는 통상 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 음극집전체 역시 그 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 접착력을 높일 수도 있다.

외장재(100)는 전지셀을 수용할 수 있는 하부외장재(120)와, 이 하부외장재의 상측에 결합되는 덮개 형태의 상부외장재(110)로 구분되고, 상부외장재(110) 및 하부외장재(120)의 측면에는 각각 상부체결부(111) 및 하부체결부(121)가 절곡되어 있으며, 그 구성은 상술한 바와 대동소이하므로 이하에서는 자세한 설명은 생략한다.

한편, 외장재(100)의 외부로는 전지셀(200)과 전기적으로 연결되는 전극리드(양극리드 및 음극리드)(210)가 소정량 돌출된다.

즉, 두 개의 전극리드(210)는 전지셀의 각 전극판(도시 생략)으로부터 연장된 전극탭(도시 생략)들과 용접 등의 방법으로 전기적으로 연결되어 있고, 그 일부가 외장재(100)의 외부로 노출된 것이다.

양극리드와 음극리드는 외장재에서 동일한 방향으로 나란히 위치할 수도 있고, 도면에 도시된 바와 같이 서로 반대 방향으로 위치할 수도 있다.

이와 같이 구성된 이차전지에 따르면, 전지셀이 정상작동을 수행할 경우에는 상부외장재와 하부외장재 간에 견고하게 결합된 상태를 유지하지만, 전지셀의 이상 거동시에는 상부외장재와 하부외장재 중 적어도 하나의 노칭부가 쉽게 파단된다. 이에 따라 전류차단장치의 작동을 빠르게 유도할 수 있게 되어 전지의 폭발에 따른 안전사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

100 ; 외장재
110 ; 상부외장재
111 ; 상부체결부
112 ; 체결공
113 ; 노칭부
120 ; 하부외장재
121 ; 하부체결부
122 ; 체결돌기
123 ; 노칭부
200 ; 전극조립체
210 ; 전극리드

Claims (9)

1. 상부외장재;
   적어도 하나 이상의 전지셀이 수납되도록 상기 상부외장재와 결합되는 하부외장재;
   상기 상부외장재와 하부외장재 중 적어도 어느 하나에 형성되는 노칭부를 포함하고,
   상기 상부외장재와 하부외장재에는 각각 상호 체결되는 상부체결부와 하부체결부가 구비되며,
   상기 상부체결부와 하부체결부 중 어느 하나에는 체결돌기가 돌출되고, 다른 하나에는 체결공이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 외장재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 노칭부는 외장재의 길이 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 외장재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 노칭부는 외장재의 외측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 외장재.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 전지셀;
   상기 전지셀이 수납되도록 결합되는 상부외장재 및 하부외장재;
   상기 상부외장재와 하부외장재 중 적어도 어느 하나에 형성되는 노칭부를 포함하고,
   상기 상부외장재와 하부외장재에는 각각 상호 체결되는 상부체결부와 하부체결부가 구비되며,
   상기 상부체결부와 하부체결부 중 어느 하나에는 체결돌기가 돌출되고, 다른 하나에는 체결공이 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 노칭부는 외장재의 길이 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
   
8. 삭제
9. 삭제

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