KR101408623B1 - 파우치형 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파우치형 전지에서 포장재인 파우치 안에 전지셀을 장착하고, 전해액을 주입한 후 파우치를 실링하는 과정에서 파우치의 실링부에 전해액이 묻음으로써(전해액 wetting 또는 교착실링) 발생하는 여러가지 문제점을 해결하기 위해 전해액 주입부를 최소한으로 하며, 아울러 돌출부로 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법 및 리튬 이온 폴리머 전지에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 파우치의 실링부의 전해액이 원인이 된 실링부의 마이크로크랙, 절연저항의 파괴, 전해액의 손실 및 외부 공기의 유입 등을 방지할 수 있고, 실링부의 실링 강도 또는 폭에 차이를 두어 실링함으로써 전지의 오동작 시 과다 발생 가스의 안전한 venting을 유도할 수 있다.

파우치, 전지, 전해액, 주입, 실링, 패키징, 돌출

Description

파우치형 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법{Lithium ion battery in pouch type and method of preparation of the same}

본 발명은 파우치형 리튬 이온 폴리머 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 전해액의 교착 실링 및 절연저항의 파괴를 최소한으로 하는 파우치형 전지의 제조방법을 제공하고, 전지의 오동작시 directional venting을 유도함으로써 폭발 위험이 방지된 파우치형 전지를 제공한다.

파우치형 전지의 제조 과정에서 가장 큰 문제점은 포장재인 파우치의 실링 공정에서 전해액이 실링부에 묻는 현상(전해액의 wetting)이 발생한다는 것이다. 실링부에 wetting된 전해액은 전해액 손실 및 외부 공기가 전지셀 내로 유입되는 통로가 될 뿐만 아니라, 전지의 절연저항이 파괴된다. 더구나, 상기 통로를 통해 파우치의 재질인 알루미늄과 전지의 음극이 반응하면 Al 합금이 되고 이러한 반응에 의하면 음극은 더 이상 음극으로서 기능하지 못하고 자가방전 됨으로써 셀 die의 결정적 원인이 된다.

따라서, 각 전지 회사들은 파우치형 전지의 제조시 파우치 안에 전지셀을 넣고 전해액을 주입하는 데 있어서, 파우치 실링부에서의 전해액 wetting을 최소화 또는 일어나지 않도록 하는데 주력하고 있다.

KR10-2003-0066576은 CO₂ 분위기 하에서 전해액을 주입하고, 포장재를 실링하며, 충방전 반응을 시킴으로써 전해액이 튀어나가고 휘발하는 등의 현상을 방지하는 방법을 제시하고 있다.

KR10-2006-0011427은 주입된 전해액의 중량을 측정하는 장치를 통하여 정확한 양으로 전해액을 주입하는 방법을 제시하고 있다.

한편, EP1804313은 홈, 연장부 및 플랜지부를 포함하는 파우치를 제시하고, 상기 파우치의 홈부에 전지셀을 넣고 이후 연장부 및 플랜지부를 셀 전면 한 개의 실링부에 의해 실링한 후, 전해액을 주입하는 방법을 제시하고 있다.

그러나, 상기 문헌들은 파우치형 전지 제조시 전해액의 주입방법에 대해 제시하면서도 전해액 주입에 있어서 가장 문제가 되는 실링부에서의 전해액 wetting을 줄이기 위한 방법에 대해서는 어떠한 언급도 하고 있지 않다.

본 발명은 파우치형 전지에서 파우치 실링시 실링부의 파우치 내벽에서 전해질의 wetting을 최소화하여 전해질 교착 실링을 방지하는 것을 목적으로 한다.

파우치형 전지의 제조과정 중 디개싱(degassing) 공정시 부분 개봉 및 이후 resealing되는 부분을 최소화하여, 그로 인한 절연저항의 파괴를 최소화할 수 있다.

또한, 파우치형 전지에서 파우치 실링 강도에 차이를 둠으로써 전지의 오동작시 예상된 venting을 유도할 수 있다.

본 발명은 파우치형 리튬 이온 폴리머 전지의 제조에 있어서, 전해액의 주입이 파우치 일 변의 비실링 돌출부를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 파우치형 리튬 이온 폴리머 전지의 포장재로서, 전지의 제조과정에서 전해액의 주입 및 디개싱(degassing) 공정을 위해 개봉되며, 활성화 및 최종 실링 공정에서 실링되는 비실링 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 파우치를 제공한다.

또한, 본 발명은 양극, 음극 및 분리막으로 포함하는 전지셀을 포장재인 파우치로 패키징한 전지에서, 상기 파우치가 일 변에 돌출부를 포함하고, 상기 돌출 부는 파우치의 다른 실링부에 비해 좁은 폭으로 최종 실링된 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지를 제공한다.

마지막으로, 본 발명은 상기 전지를 전원으로 사용하며, 상기 전지의 돌출부가 배기가스의 배출구 방향과 동일하게 배치된 것을 특징으로 하는 전기 자동차를 제공한다.

본 발명에 의하면 리튬 이온 폴리머 전지의 제조시 전지셀의 포장재인 파우치의 실링부에 전해액이 묻을(wetting) 가능성을 최소화하여 전해질의 교착 실링으로 인한 마이크로 크랙(microcrack) 또는 디펙트(defect)에 의한 절연 저항 파괴를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 오히려 파우치의 실링시 실링폭 및 강도에 차이를 두어 제조함으로써 전지의 오동작시 directional venting을 유도할 수 있다.

특히, 파우치형 전지에서 파우치의 실링폭 및 강도가 약한 부분을 돌출부로 제조함으로써 상기 돌출부를 전기 자동차의 배기가스 배출구와 동일하게 배치하거나, 전지의 venting 방향이 자동차 실내로 향하지 않도록 하는 등 효율성 및 안전성을 고려한 자동차 구조 설계가 가능하다.

파우치형 리튬이온 폴리머 전지 제조 시 현재는 완성된 폴딩형 셀을 포장재 파우치에 넣고 패키징한 후 전해질을 주입하고 활성화 공정 후, 이때 발생하는 gas의 배출(degassing)을 위해 파우치를 부분 개봉하고, 이후 최종 실링을 하게 된다. 이때 파우치의 한 면을 전부 개봉한 상태에서 전해질을 주입하기 때문에 파우치 내벽에 전해질이 wetting 되거나, degasing 공정을 위한 파우치 부분 개봉 후 최종 실링시 진공으로 유발되는 압력 차에 의해 기상/액상 전해액의 확산 및 파우치 실링 부위에 묻어있는 전해액에 의한 셀 내외부간의 전류 통로가 생길 수 있다. 이는 절연저항 파괴와 실링 강도의 현격한 저하를 유발하여 셀의 성능저하를 야기한다.

따라서 본 발명에서는 전지셀을 포장재 파우치에 넣고 전해질을 주입하기 전 실링할 때 파우치의 3변 및 나머지 한 변을 최대한으로 실링함으로써 비실링되는 영역(비실링부)을 최소한으로 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 비실링부를 돌출부로 제작하는 것을 특징으로 한다.

상기 비실링부는 바람직하게 파우치 패키징 시 상기 파우치의 나머지 한 변을 4/5 내지는 그 이상으로 실링함으로써 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에서는 상기 비실링부가 바람직하게 5~15mm 돌출된 형태로 존재하는 파우치를 전지의 포장재로 사용한다.

이와 같이 파우치의 비실링부를 최소한으로 함으로써 전해질의 교착 실링을 미연에 방지할 수 있다.

한편, 상기 비실링부는 디개싱(degassing)시 개봉되어 최종 실링 과정에서 재실링(resealing)되는 부분이므로(따라서, 상기 비실링부를 ‘D/R부’라고도 명명한다.), 최종 실링시에 중첩 실링으로 인한 실링 두께의 감소 및 절연파괴를 유발 할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 비실링부를 돌출부로 형성하여 표시 나도록 함으로써, 전지의 제조과정에서 중첩 실링으로 인한 에러 발생을 최소한으로 한다.

본 발명의 파우치형 리튬 이온 폴리머 전지의 제조과정을 보면, 우선 전지셀을 비실링부가 돌출된 형태(이하 ‘비실링 돌출부’라 한다)로 준비된 포장재 파우치에 넣고 파우치의 3면과 나머지 한 면의 4/5 내지는 그 이상을 실링한 후, tube 등을 이용하여 비실링 돌출부를 통해 전해질을 주입한다. 다음으로, 약 5mm 실링폭으로 비실링 돌출부를 실링한 후 활성화 공정을 거치고, 상기 비실링 돌출부만 절제 및 개봉하여 D/R 공정을 수행한다. 마지막으로, 상기 비실링 돌출부를 다른 부위보다 좁은 실링폭으로 최종 실링함으로써 전지 제조를 완성한다. 상기 비실링 돌출부의 최종 실링폭은 다른 실링부의 실링폭이 7mm 정도인 경우, 5mm 정도로 한다. 단, 상기 실링폭은 일 실시예로 제시한 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

이렇게 제조된 리튬 이온 폴리머 전지는 상기 비실링 돌출부(D/R부)를 제외한 부분에서는 전해질 교착으로 인한 절연저항 파괴가 없으므로 전체적으로 전지의 불량률을 줄일 수 있다.

또한 본 발명의 방법으로 제조된 전지는 전지의 오동작시 내부 가스압에 의해 전지가 팽창하면 상대적으로 실링폭이 좁은 상기 D/R부가 실링 강도도 약하므로 내부압이 몰리게 되고, 그러면 집중된 압력에 의해 그 부분이 쉽게 개봉된다. 즉, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 전지에서는 실링 강도에 차이를 둠으로써 directional venting을 유도하여 폭발 및 화재의 위험을 줄일 수 있다. 더욱이, 상술한 바와 같이 제조된 파우치형 전지에서는 비실링 돌출부의 존재로부터 가스의 배출 방향을 예상할 수 있으므로 전기 자동차에서 배터리 및 배기가스 출구의 배치 및 방향 설계시 가스의 실내 유입을 방지하는 등 효율적이고, 안전하게 설계할 수 있다.

통상적으로 파우치형 전지에서 포장재인 파우치의 실링폭에 대한 최적의 값을 찾기 위해 실링폭과 실링 면적을 변화시키면서 실링폭에 따른 전해액의 손실 및 수분 침투율을 도5에 도시하였다. 이로부터 실링폭이 약 5mm이상이면 전해질 loss와 수분 침투 측면에서 셀의 수명에 큰 영향이 없음이 확인되었다. 따라서, 본 발명에서는 D/R부의 실링폭을 5mm 이상의 범위에서 파우치의 다른 실링부의 실링폭 보다 작게 실링한다.

다음으로 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

도1과 같이 본 발명의 전지제조 방법에 사용되는 돌출부를 포함하는 알루미늄 파우치 내부에 전지셀을 넣고 상기 돌출부를 제외한 나머지 부분을 7mm 폭으로 실링하였다. 이때 상기 돌출부의 길이는 파우치 일변의 1/5로 하였고, 돌출폭은 10mm로 하였다.

다음으로 비실링부를 통하여 전해액을 주입하였다. 그런 다음, 비실링부를 5mm 폭으로 실링한 후 2.5~4.2V의 전압 범위에서 1회 충, 방전 사이클을 실시함으로써 전지셀의 활성화 공정을 수행하였다. 그리고, 돌출부만을 개봉하여, 디개싱한 후 진공을 걸면서 개봉된 비실링부를 5mm 폭으로 최종 실링하였다.

비교예

비교예로서 돌출부를 포함하지 않는 통상의 알루미늄 파우치를 사용하여 실링하지 않은 일면을 통해 전해액을 주입한 후, 실시예에서와 동일한 방법으로 활성화 및 디개싱하고, 비실링부를 최종실링하여 전지를 제조하였다.

마이크로크랙의 유무를 비파괴적 검사를 통해 알아보는 방법으로서 실시예 및 비교예에서 제조된 전지의 절연저항을 측정하였다. (HEV용 셀 기준) 즉, 애노드 리드에 절연저항 측정기의 (+)단자를 접촉하였고, 셀의 실링부(알루미늄)에 (-)단자를 접촉한 후 25V 전압을 가하였다. 그로부터 절연저항의 파괴 여부의 판단은 하기 표1을 근거로 한다.

전기적 단락은 애노드 리드와 파우치 내부의 Al층 간의 단락 여부이다. 즉, 음극과 파우치의 Al층이 닿아 있으면 전기적 단락이 YES가 된다. 마이크로크랙 유무는 실링부에 크랙이 존재하는가 이다. 표에서와 같이 전해액 함침 후에 전기적 단락이 없고(절연상태) 마이크로크랙이 없는 경우 절연저항은 100MΩ 이상으로 측정되었다. 절연유지상태입니다. 그러나 전기적 단락이 YES(즉 통전상태)이거나, 단락이 유지되더라도 마이크로 크랙이 있으면 파우치의 Al층과 통전이 되어서 절연저항은 매우 작은 값을 갖게 된다.

본 발명의 비실링 돌출부를 포함하는 경우 표시부분과 같이 절연저항 파괴가 방지되는 반면, 통상의 방법으로 제조된 비교에의 전지셀에서는 번번히 절연저항 파괴가 일어났다.

다음으로, 전해액의 유무에 따른 실링부의 단면, 전해액의 기화에 따른 교착실링부을 촬영하였다. 결과를 도2 및 3에 나타내었다.

도2의 왼쪽 사진이 본 발명의 실시예에서 제조된 전지셀에서 절연저항이 유지되는 경우이고, 도2의 오른쪽 사진 및 도3이 실링부가 전해액으로 wetting 되어 교착실링이 일어난 상태를 촬영한 사진이다.

다음으로, 비교예 전지셀에서 실링부를 통한 전해액의 누출 여부를 확인하기 위하여 Energy dispersive analysis(EDS)로 P 및 F 원소(전해액의 염 성분)를 분석하였다. 결과를 도4에 나타내었다. 이에 의하면 실링부 상부인 PP층과 Al 사이에 전해액 염이 존재함을 알 수 있다.

도1은 본 발명의 전지 제조과정을 도시한 것이다.

도2는 전해액의 유무에 따른 실링부의 단면을 촬영한 것이다.

도3은 전해액의 기화에 따른 교착실링부를 촬영한 것이다.

도4는 실링부 상부인 PP층과 Al층의 Energy dispersive analysis(EDS) 사진이다.

도5는 실링폭에 따른 전해액 손실 및 수분침투량을 측정한 것이다.

Claims (7)

1. 파우치형 리튬 이온 폴리머 전지의 제조에 있어서, 전해액의 주입이 파우치 일 변의 비실링 돌출부를 통해 이루어지고,

   상기 비실링 돌출부는 상기 파우치의 일 변에서 돌출되되, 그 변의 폭보다 좁은 폭으로 돌출되며, 또한 상기 전해액의 주입 이후에 전지의 활성화 공정을 위해 실링되고, 상기 활성화 공정 이후에 디개싱 공정을 위해 절제되어 개봉되고, 상기 디개싱 공정 이후에 최종 실링되며,

   상기 최종 실링 과정에서 상기 비실링 돌출부의 실링 폭은 상기 파우치의 다른 실링부의 실링 폭에 비해 좁은 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 비실링 돌출부는 파우치 일 변의 1/5이하의 길이 및 5 내지 20mm 범위의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 제조방법.
3. 삭제
4. 파우치형 리튬 이온 폴리머 전지의 포장재로서,

   파우치의 일 변에서 돌출되되, 그 변의 폭보다 좁은 폭으로 돌출되는 비실링 돌출부를 포함하며,

   상기 비실링 돌출부는 전해액의 주입을 위해 말단이 개구되고, 상기 전해액의 주입 이후에 전지의 활성화 공정을 위해 실링되고, 상기 활성화 공정 이후에 디개싱 공정을 위해 절제되어 개봉되고, 상기 디개싱 공정 이후에 최종 실링되며,

   상기 최종 실링 과정에서 상기 비실링 돌출부의 실링 폭은 상기 파우치의 다른 실링부의 실링 폭에 비해 좁은 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 파우치.
5. 제4항에 있어서, 상기 비실링 돌출부는 파우치 일 변의 1/5이하의 길이 및 5 내지 20mm 범위의 폭으로 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지의 파우치.
6. 양극, 음극 및 분리막으로 포함하는 전지셀을 포장재인 파우치로 패키징한 전지에서, 상기 파우치가 일 변에 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는 파우치의 다른 실링부에 비해 좁은 폭으로 최종 실링된 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지.
7. 제 6항의 전지를 전원으로 사용하며, 상기 전지의 돌출부가 배기가스의 배출구 방향과 동일하게 배치된 것을 특징으로 하는 전기 자동차.

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