KR101405621B1 - 이차전지용 파우치 포장재 및 파우치형 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 박층에 적어도 하나의 내열성 보강층을 가지는 2차 전지용 파우치 포장재 및 이를 이용한 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명은 내부층, 금속호일층, 및 외부층이 순차적으로 적층된 파우치 포장재에서 상기 내부층의 적어도 일면에 내열성보강층을 더 포함함으로써 내부층의 붕괴를 억제하여 금속호일이 전해질에 노출되는 것을 억제시켜 절연특성이 우수한 파우치 포장재를 제공한다.
내열성보강층*이차전지*파우치*절연성
Description
본 발명은 내열성 보강층을 포함하여 절연특성이 향상된 이차전지 전극 조립체의 용기로 사용되는 파우치 포장재 및 이를 사용한 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지와, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행중이다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬이차전지 등을 들 수 있다.
이 중에서, 리튬이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수 개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 두 전극과 세퍼레이터, 전해질을 필름으로 만든 파우치에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
통상적으로 사용되는 리튬 이온 폴리머 전지의 파우치는 순차적으로 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 열접착층인 폴리올레핀계 수지층(Polyolefin Layer)의 내부층, 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속박층인 알미늄층(AL/Aluminum Layer), 기재 및 보호층으로 작용하는 나일 론층(Nylon Layer)인 외부층이 적층된 다층막구조로 구성되어 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다.
파우치형 이차전지는 형태에 융통성을 가질 수 있고 보다 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 캔형과 달리 파우치형은 연질의 파우치를 용기로 사용하므로 기계적 강도가 약하고 밀봉의 신뢰성이 낮아질 수 있다. 따라서 누액의 문제가 큰 전해액 사용 리튬 이온 이차전지에서 보다는 주로 겔형이나 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지에 사용된다.
상기와 같은 구조를 가지는 파우치 포장재는 전극체와 전해액을 넣고, 열융착을 통하여 밀봉시키게 되는데, 이때 내부층인 CPP 층이 미세하게라도 파괴되는 경우 금속박층이 전지 내부에 노출되게 되며, 이 경우 전해액과의 반응성으로 인해 부반응이 발생하게 된다.
상기 부반응이 발생되면 전극의 활성층이 기계적으로 붕괴되며 수분침투가 용이하게 되어 전지의 수명이 급격히 감소하게 된다. 이러한 문제 때문에, 상기 열 융착을 약하게 하게 되면 실링부를 통한 수분 침투 특성이 증가되어 역시 전지의 수명에 심각한 악영향을 끼칠 수 있게 된다.
따라서, 내부 CPP 층의 파괴없이 융착시키는 것이 중요한 기술로 인정받고 있으며, 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명에서는 상기와 같이 이차전지의 파우치 포장재에서 열융착으로 인해 발생되는 상기와 같은 수분 침투 등의 문제를 해결하여 전지의 성능을 향상시키기 위한 것이다.
이에, 본 발명은 내부층, 금속호일층, 및 외부층이 순차적으로 적층된 파우치 포장재에서 상기 내부층의 적어도 일면에 내열성 보강층을 더 포함함으로써 내부층의 붕괴를 억제하여 금속호일이 전해질에 노출되는 것을 억제시켜 절연특성이 우수한 파우치 포장재를 제공할 수 있게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 내부층이 파괴됨없이, 외부로부터의 수분 침투를 저하시킬 수 있어 절연특성이 우수한 이차전지의 파우치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기와 같이 외부로부터 수분침투를 막을 수 있는 파우치를 이용함으로써 전지 성능이 향상된 파우치형 이차전지를 제공하는 데도 있다.
본 발명과 같이 내부층, 금속박층, 및 외부층이 순차적으로 적층된 파우치 포장재에서 상기 내부층의 적어도 일면에 내열성보강층을 더 포함함으로써 내부층 의 붕괴를 억제하여 금속호일이 전해질에 노출되는 것을 억제시켜 절연특성이 우수한 파우치 포장재를 제공할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전지의 파우치 외장재는 금속박층에 적어도 하나의 내열성 보강층을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 이차전지는 상기 파우치 외장재를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
이하에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
통상의 이차전지에 사용되는 파우치 외장재는 다음 도 1과 같이 내부층(30)/금속박층(20)/외부층(10)으로 이루어져 있다. 그러나, 본 발명에 따른 파우치 외장재는 상기 금속박층(20)에 적어도 하나의 내열성 보강층(40)을 더 구비한 다음 도 2와 같은 구조를 가진다.
본 발명과 같이 금속박층(20)에 적어도 하나의 내열성 보강층(40)을 구비함으로써, 실링시 내부 고분자층의 붕괴를 억제하여 금속박층이 전해질에 노출되는 것을 억제함으로써 절연특성을 향상시킬 수 있다.
상기 파우치 외장재의 금속박층은 적정 두께를 유지하고 외부로부터 내부로 수증기, 가스가 침투하는 것을 방지하며, 전해액의 누수를 방지하는 역할을 한다. 상기 금속박층으로는 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄 소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금, 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 그 등가물중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나, 상기 금속박층을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아진다. 통상, 알루미늄 금속 호일이 바람직하게 사용된다.
상기 금속박층에 형성되는 적어도 하나의 내열성 보강층은 융점 180℃ 이상인 내열성 고분자로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 내열성 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상이나, 이에 한정되지 않는다.
상기 내열성 보강층은 상기 금속박층의 일면에 얇은 두께로 코팅(coating) 또는 라미네이팅(laminating)시킬 수 있다. 상기 내열성 보강층은 상기 내열성 고분자 수지를 상기 금속박층의 일 표면에 액상 코팅하거나, 또는 상기 내열성 고분자를 미리 필름 형태로 만들어 각종 라미네이팅 방법에 의해 적층시킬 수도 있다. 또한, 본 발명에 포함되는 상기 내열성 보강층은 단일층, 복합층 모두 가능하며, 필요에 따라 선택될 수 있다.
이러한 내열성 보강층의 두께는 5 내지 40㎛이며, 상기 내열성 보강층의 두께가 상기 범위를 벗어날 경우 전지의 밀봉성을 저하시켜서 외부의 수분이 전지 내부로 침투할 수 있으며 또한 불필요한 두께의 증가로 인하여 전지의 에너지 밀도를 저하시키는 문제가 있을 수 있어 바람직하지 못하다.
상기 파우치 외장재를 구성하는 내부층은 열접착층으로서, 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene: CPP)과 같은 변성 폴리프로필렌, 폴리프로필렌과 부틸렌과 에틸렌 삼원공중합체 등이 사용될 수 있다. 상기 열접착층은 상기 금속박층의 다른 면에 대략 30∼80㎛의 두께로 코팅 또는 라미네이팅되어 있다.
또한, 상기 파우치 외장재를 구성하는 외부층은 기재 및 보호층으로 작용하는 것으로, 통상 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트로 구성된다.
통상 상기 도 1과 같은 구조를 가지는 파우치 외장재의 경우, 다음 도 3에서 보는 바와 같이 외부의 열이나 압력이 가해졌을 때, 내부층(CPP층)이 붕괴되어 전해액이 침투하게 되고, 절연저항이 파괴되는 문제가 있었다.
그러나, 본 발명과 같이 내열성 보강층을 구비하는 파우치 외장재를 사용할 경우, 다음 도 4와 같이 외부에서 열이나 압력이 가해지더라도 상기 내열성 보강층이 절연저항이 파괴되는 것을 억제시키기 때문에 상기와 같은 종래 문제들을 해결할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 파우치형 이차 전지는 제1전극, 제2전극 및 그 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체가 수납될 수 있는 공간부가 형성되어 있는 파우치 본체와, 상기 파우치 본체와 적어도 일변이 접하여 있는 파우치 커버를 구비하는 파우치 외장재를 포함하며, 상기 외장재는 적어도 외부층/금속박층/내부층으로 적층되어 이루어지고, 상기 금속박층에 적어도 하나의 내열성 보강층을 포함한다.
상기 전극조립체는 제1전극과 제2전극과 그 사이에 분리막을 개재하여 권취된 젤리롤(jelly-roll) 형태로 구비되거나, 이들이 적층된 적층형 전극조립체로 구비될 수 있다.
상기 제1전극 및 제2전극은 서로 극성을 달리하며, 양극 또는 음극으로 사용될 수 있다. 상기 제1전극 및 제2전극은 집전체와 상기 집전체의 적어도 일면에 도포되는 전극 활물질, 즉 양극 활물질 또는 음극 활물질을 포함한다.
상기 제1전극 또는 제2전극이 양극으로 사용되는 경우, 전극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다.
상기 제1전극 또는 제2전극이 음극으로 사용되는 경우, 전극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.
상기 양극 활물질로는 통상적으로 리튬함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물을 모두 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1 -x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리 튬 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 분리막은 상기 제1전극 및 제2전극 사이의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하는 것으로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 공지된 것을 사용할 수 있다.
상기 전극조립체의 제1전극 및 제2전극에는 각각 제1전극탭 및 제2전극탭이 레이저용접, 초음파용접, 저항용접과 같은 용접이나 도전성 접착제에 의하여 통전가능하도록 부착되어 있다.
이들 전극탭은 전극조립체가 권취되는 방향과 수직한 방향으로 전극조립체로부터 돌출되도록 형성되어 있다. 상기 밀봉부 중 상기 케이스 본체와 케이스 커버가 연결되어 있는 변과 반대편에 위치한 밀봉부를 통해 서 상기 전극조립체의 제1전극탭과 제2전극탭이 인출된다. 상기 전극탭에는 절연성 소재로 만들어진 보호 테이프가 부착되어 전극 간의 단락을 방지한다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1 : 내열성
보강층을
구비한 파우치 외장재의 제조
두께 40㎛의 CPP 필름으로 이루어진 내부층에 알루미늄 호일 금속박층을 형성시킨 다음, 상기 알루미늄 금속박층에 폴리에틸렌테레프탈레이트 고분자를 이용하여 20㎛ 두께의 내열성 보강층을 형성시켰다. 그 다음, 내열성 보강층이 형성된 상기 알루미늄 금속박층의 반대면에 외부층으로 작용하는 나일론층(Nylon Layer)을 적층시켜 파우치 외장재를 제조하였다.
실시예
2 : 내열성
보강층을
구비한 파우치 외장재의 제조
두께 40㎛의 CPP 필름으로 이루어진 내부층에 알루미늄 호일 금속박층을 형성시킨 다음, 상기 알루미늄 금속박층에 폴리이미드를 이용하여 20㎛ 두께의 내열성 보강층을 형성시켰다. 그 다음, 내열성 보강층이 형성된 상기 알루미늄 금속박층의 반대면에 외부층으로 작용하는 나일론층(Nylon Layer)을 적층시켜 파우치 외장재를 제조하였다.
비교예
1
상기 실시예 1에서 금속산화막을 포함하지 않는 통상의 내부층/금속층/외부층으로 이루어진 파우치 외장재를 제조하였다.
실험예
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 파우치 외장재를 사용하여 그 내부에 통상의 전극조립체를 위치시켜 이차전지를 제조하였다. 그 다음, 이들의 절연특성을 다음과 같이 평가하였으며, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
-절연특성 : 완성된 전지의 포장재 금속층인 알루미늄과 전지의 음극 간의 저항을 메가오옴미터(Megaohmmeter)를 이용하여 측정하였으며 그 저항값이 10Mohm 이하인 경우를 불량으로 평가하였다.
| 총 제조된 전지의 수 | 절연 불량 전지 | 양품 전지 | |
| 실시예 1 | 100 | 3 | 97 |
| 실시예 2 | 100 | 5 | 95 |
| 비교예 1 | 100 | 25 | 75 |
상기 표 1의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명과 같이 금속박층에 적어도 하나의 내열성 보강층을 구비한 파우치의 경우에 절연 불량의 발생이 개선됨을 알 수 있다.
도 1은 통상의 전지용 파우치 외장재의 구조를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 내열성 보강층을 포함하는 전지용 파우치 외장재의 구조를 나타낸 것이며,
도 3은 종래 전지용 파우치 외장재의 실링시 외부 열이나 압력에 의해 절연저항이 파괴되는 형상을 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 전지용 파우치 외장재의 실링시 외부 열이나 압력에 의해 절연저항이 파괴되는 형상을 나타낸 것이다.
<도면 부호의 간단한 설명>
100, 200 : 파우치 외장재
30 : 내부층
20 : 금속박층
10 : 외부층
40 : 내열성 보강층
Claims (10)
- 외부층/금속박층/내열성 보강층/내부층이 연속하여 순차적으로 적층된 구조로 이루어지고,상기 내열성 보강층은 상기 금속박층의 양 면 중 내부층을 향하는 일면에 적어도 한 층 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전지용 파우치 외장재.
- 제 1항에 있어서, 상기 내열성 보강층은 융점 180℃ 이상인 내열성 고분자인 것을 특징으로 하는 전지용 파우치 외장재.
- 제 2항에 있어서, 상기 내열성 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상임을 특징으로 하는 전지용 파우치 외장재.
- 제 1항에 있어서, 상기 내열성 보강층은 코팅(coating) 또는 라미네이팅(laminating)에 의해 형성됨을 특징으로 하는 전지용 파우치 외장재.
- 제 1항에 있어서, 상기 내열성 보강층의 두께는 5 내지 40㎛인 것을 특징으로 하는 전지용 파우치 외장재.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속박층은 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금, 알루미늄(Al), 및 구리(Cu)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지용 파우치 외장재.
- 제 6 항에 있어서, 상기 금속박층은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 전지용 파우치 외장재.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 내부층은 CPP, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체 및 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원공중합체에서 선택된 1종 이상임을 특징으로 하는 전지용 파우치 외장재.
- 제1 항 내지 제 7항 및 제 9항 중 어느 한 항에 따른 파우치 외장재를 포함하는 리튬 이차전지.
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