KR101465172B1 - 내구성 향상을 위해 실링 마진을 가진 파우치형 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내구성 향상을 위해 실링 마진을 가진 파우치형 이차 전지를 개시한다. 상기 파우치형 이차 전지는, 적어도 외부 보호층, 금속 기재 및 실링층이 라미네이트된 상부 파우치 필름과 하부 파우치 필름을 포함하는 파우치 포장재를 이용하여 셀 어셈블리를 감싸고 상기 파우치 포장재를 열 실링 공정을 통해 밀봉한 파우치형 이차 전지로서, 상기 파우치 포장재의 가장자리를 따라 상부 파우치 필름과 하부 파우치 필름의 실링층이 융착되어 형성된 실링 영역을 포함하고, 상기 이차 전지의 단면을 기준으로 상기 실링 영역의 표면으로부터 수평으로 연장된 제1직선과 상기 실링 영역에 인접한 파우치 포장재의 단면 경사 라인 상의 각 지점에서 형성할 수 있는 접선들 중에서 평균 기울기를 갖는 접선에 해당하는 제2직선의 교차점으로부터 상기 실링 영역의 경계선까지 측정한 거리인 실링 마진이 상기 실링 영역으로부터 유출된 실링 잔여물의 이동 거리보다 큰 것을 특징으로 한다.

Description

내구성 향상을 위해 실링 마진을 가진 파우치형 이차 전지{Secondary battery of pouch type having sealing margin for improving durability}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실링 마진을 확보하여 내구성이 향상된 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.
본 출원은, 특허출원 제10-2012-015960호에 대한 우선권 주장 출원으로서 본 참조로서 위 출원의 내용은 본 명세서의 일부로서 합체된다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차 전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.
리튬 이차 전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차 전지와 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 이차 전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수 개를 직렬 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다. 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차 전지는 전해질의 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 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차 전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 셀 어셈블리와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차 전지가 개발되어 사용되고 있다.
상기 파우치 포장재는 금속 기재를 포함하는 연성 포장재로서, 열과 압력에 의해 밀봉이 가능하도록 셀 어셈블리 측으로 향하는 표면에 폴리머 재질의 실링층이 라미네이팅된 구조를 가진다. 따라서 상기 파우치 포장재에 셀 어셈블리를 넣고 주변부를 따라 열과 압력을 가하면 상기 실링층이 용융되면서 상기 파우치 포장재가 긴밀하게 밀봉된다.
한편, 파우치 포장재를 밀봉할 때에는, 허용되는 범위 내에서 셀 어셈블리와 가능한 가깝게 파우치 포장재의 가장 자리를 따라 열과 압력을 가한다. 이 때, 열과 압력이 가해지는 부위에서는 실링층을 구성하는 실링 물질이 용융된 후 압력이 가해지는 방향과 수직 방향, 즉 셀 어셈블리가 위치하는 방향으로 유동을 한다. 따라서 보통은 용융된 실링 물질이 셀 어셈블리와 맞닿는다. 이러한 경우, 파우치 포장재 내에서 셀 어셈블리의 위치가 견고하게 고정될 수 있는 장점이 있다. 즉, 용융된 실링 물질이 일종의 접착제로서 작용하여 셀 어셈블리를 고정하는 역할을 하는 것이다. 따라서 이차 전지가 휴대폰이나 랩탑 컴퓨터와 같은 휴대용 단말기에 사용될 경우 상기와 같은 실링 물질의 유동 현상을 이용하면 이차 전지의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.
그런데, 본 출원의 발명자는 실링 물질의 유동 현상이 이차 전지의 용도에 따라 이차 전지의 내구성을 떨어뜨리는 요인이 된다는 의외의 사실을 발견하였다.
즉, 파우치 포장재가 밀봉되는 과정에서 셀 어셈블리에 맞닿은 후 고화된 실링 물질(이하, ＇실링 브릿지＇라고 함)은 파우치 포장재의 실링층과 셀 어셈블리를 물리적으로 연결하는 브릿지로서 작용한다. 따라서 외부에게 가해진 충격에 의해 셀 어셈블리가 유동할 경우 상기 실링 브릿지가 형성된 영역에 스트레스가 인가된다. 이러한 스트레스는 실링 브릿지 근처에 있는 실링층에 크랙을 유발한다. 크랙은 파우치 포장재의 금속 기재를 노출시켜 전해액에 의한 금속 기재의 부식 반응을 일으키므로 파우치 포장재의 수명을 떨어뜨리고 파우치 포장재의 절연성을 악화시킨다.
따라서 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같이 크고 작은 진동과 충격이 지속적으로 가해지는 환경에서 사용되는 파우치형 이차 전지에 대해서는 실링 브릿지에 의해 유발되는 문제를 해결하기 위한 구조가 도입될 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 감안하여 창출된 것으로서, 실링 브릿지에 의해 파우치 포장재의 실링층에 손상이 가해지는 것을 방지할 수 있는 구조를 갖는 파우치형 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 적어도 외부 보호층, 금속 기재 및 실링층이 라미네이트된 상부 파우치 필름과 하부 파우치 필름을 포함하는 파우치 포장재를 이용하여 셀 어셈블리를 감싸고 상기 파우치 포장재를 열 실링 공정을 통해 밀봉한 파우치형 이차 전지로서, 상기 파우치 포장재의 가장자리를 따라 상부 파우치 필름과 하부 파우치 필름의 실링층이 융착되어 형성된 실링 영역을 포함하고, 상기 이차 전지의 단면을 기준으로 상기 실링 영역의 표면으로부터 수평으로 연장된 제1직선과 상기 실링 영역에 인접한 파우치 포장재의 단면 경사 라인 상의 각 지점에서 형성할 수 있는 접선들 중에서 평균 기울기를 갖는 접선에 해당하는 제2직선의 교차점으로부터 상기 실링 영역의 경계선까지 측정한 거리인 실링 마진이 상기 실링 영역으로부터 유출된 실링 잔여물의 이동 거리보다 큰 것을 특징으로 한다.
일 측면에 따르면, 상기 셀 어셈블리는 분리 필름 위에 다수의 단위 셀을 일정한 간격으로 배열한 후 상기 분리 필름을 단위 셀들과 함께 일정한 방향으로 권취시킨 스택 폴딩 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 셀 어셈블리는 상기 실링 영역의 진행 방향을 따라 양측에 분리 필름 스텁을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 분리 필름 스텁의 첨두는 상기 교차점을 중심으로 상기 셀 어셈블리의 내측으로 위치가 한정된다.
본 발명에 있어서, 상기 실링 영역의 폭은, 1.5 ~ 10mm일 수 있다.
바람직하게, 상기 실링 마진은 1.5mm 이상, 더욱 바람직하게는 2mm 이상일 수 있다. 실링 마진의 최대 값은 넓을수록 좋겠지만, 공정성 및 실제 제작성을 감안하여 전지 두께의 1 내지 2배 미만이 적합하다. 바람직하게, 상기 실링 마진의 상한은 10mm 이하이다.
다른 측면에 따르면, 상기 파우치 포장재는 적어도 4개의 실링 영역을 포함하고, 상기 4개의 실링 영역 중 어느 한 개의 실링 영역이 다른 실링 영역보다 상대적으로 큰 실링 마진을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 실링 마진이 상대적으로 큰 실링 영역은 전해액이 주입된 방향에 위치할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 셀 어셈블리는 분리 필름에 의해 전기적으로 분리된 다수의 단위 셀을 포함한다. 그리고, 각 단위 셀은 적어도 양극판, 음극판 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다. 또한, 상기 셀 어셈블리는 각각의 단위 셀에 포함된 양극판 및 음극판으로부터 연장되어 도출된 다수의 양극탭 및 다수의 음극탭과, 상기 다수의 양극탭 및 상기 다수의 음극탭과 각각 접합된 양극 리드 및 음극 리드를 포함한다. 상기 셀 어셈블리는, 상기 양극 리드와 상기 음극 리드의 일단이 외부에 노출되도록 상기 파우치 포장재 내에 밀봉될 수 있다.
바람직하게, 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드와 상기 파우치 포장재 사이에는 실링 테이프가 개재될 수 있다.
본 발명에 따르면, 파우치형 이차 전지의 가장 자리를 따라 열 실링 공정을 행할 때 실링 브릿지의 형성을 방지할 수 있도록 실링 마진을 둠으로써 내구성과 절연성이 향상된 파우치형 이차 전지를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 구조를 개략적으로 보여주는 분해 사시도이다.
도 2는 파우치형 이차 전지의 제조 시 파우치 포장재의 가장 자리를 따라 실링 공정을 적용하는 모습을 도시한 공정 단면도이다.
도 3은 실링 공정이 적용되는 과정에서 실링 브릿지가 형성되는 과정을 보여주는 공정 단면도이다.
도 4는 바람직한 실링 마진 조건을 설명하기 위해 이차 전지의 실링 영역을 중심으로 이차 전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 5는 바람직한 실링 마진 조건을 설정하기 위해 이차 전지의 샘플을 제작한 후 실링 잔여물의 다양한 유동 거리를 측정한 결과를 보여주는 사진이다.
도 6은 실링 마진을 2mm로 설정하여 이차 전지의 샘플을 제작하였을 때 실링 잔여물의 유동 거리가 실링 마진 보다 작은 범위 내로 제한되는 것을 보여주는 이차 전지의 단면 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(10)의 구조를 개략적으로 보여주는 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차 전지(10)는 파우치 포장재(20)와 셀 어셈블리(30)를 포함한다. 상기 파우치 포장재(20)는 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b)를 포함한다. 상기 셀 어셈블리(30)는 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b) 사이에 협지된다. 그리고, 상기 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b)의 주변부는 열과 압력에 의해 실링된다.
상기 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b)은 서로 분리되어 있을 수도 있고, 적어도 한 쪽 변(예를 들어, A 부분)이 서로 연결되어 있을 수도 있다. 도 1에서는, 설명의 편의를 위해, 상기 상부 파우치 필름(20a)과 상기 하부 파우치 필름(20b)이 분리되어 있는 예를 도시하였다.
상기 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b)은 외부 보호층(21), 금속 기재(22) 및 실링층(23)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 상기 외부 보호층(21)은 금속 기재(22)의 스크래치와 금속 기재(22)의 부식을 방지하는 역할을 하는 것으로서, 적어도 나일론 수지층, 바람직하게는 나일론 수지층과 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지층을 포함한다. 상기 나일론층은 금속 기재와 근접하게 위치할 수 있으며, 상기 나일론층과 상기 금속 기재(22) 사이에는 접착층이 개재될 수 있다. 상기 금속 기재(22)는 연성이 있는 금속 박막이라면 그 종류에 특별히 제한이 없는데, 바람직하게는 알루미늄 포일이다. 상기 실링층(23)은 열에 의해 용융되어 접착성을 갖는 고분자 물질이라면 특별히 제한이 없는데 적어도 폴리올레핀 계열의 수지층을 포함한다. 바람직하게, 상기 실링층(23)은 무연신 폴리올레핀(CPP) 수지층, 더욱 바람직하게는 산변성 폴리올레핀(PPa) 수지층과 무연신 폴리올레핀 수지층을 포함한다. 상기 산변성 폴리올레핀 수지층은 상기 금속 기재(22)와 근접하게 위치하는 것이 바람직하다. 상기 외부 보호층(21), 금속 기재(22) 및 실링층(23)은 각각의 기능을 고려할 때 수십 내지 수백 um의 두께를 가진다.
본 발명은 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b)의 구조나 구성 성분에 의해 한정되지 않는다. 따라서 셀 어셈블리(30)와 대향되는 표면에 열과 압력에 의해 접착이 가능한 실링층(23)이 형성되어 있는 필름이라면 그 어떠한 것이라도 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b)의 범주에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
상기 셀 어셈블리(30)는 비제한적인 예시로서 스택-폴딩형 구조를 가진다. 상기 스택-폴딩형 구조는 다공성이 있는 절연성 분리 필름(50) 위에 단위 셀(40)을 일정한 간격으로 배치한 후 단위 셀(40)들과 함께 분리 필름(50)을 일정한 방향으로 권취한 구조를 가진다. 상기 스택-폴딩형 구조는 본 출원인의 한국공개특허 제10-2008-0095967 호 등에 개시되어 있으므로 자세한 설명은 생략한다. 한편, 상기 셀 어셈블리(30)의 구조는 여러 가지 변형이 가능하다. 일 예시로서, 상기 셀 어셈블리(30)는 젤리 롤 구조를 가질 수 있다. 상기 젤리 롤 구조는 띠 형상으로 단위 셀을 만들고 단위 셀을 일정한 방향으로 말아 놓은 구조를 말한다. 상기 젤리 롤 구조는 본 출원인의 한국공개특허 제10-2009-88761호 등에 개시되어 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 단위 셀(40)은 적어도 양극 활물질이 코팅된 양극판, 음극 활물질이 코팅된 음극판, 및 상기 양극판과 음극판을 전기적으로 분리하는 세퍼레이터를 포함한다. 상기 양극 활물질과 음극 활물질은 양극판과 음극판의 어느 한쪽 표면 또는 양쪽 표면에 코팅될 수 있다.
상기 양극판은 알루미늄 재질이 주로 이용된다. 대안적으로, 상기 양극판은 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다. 나아가, 이차 전지에 화학적 변화를 야기시키지 않고 높은 도전성을 가지는 재질이라면 양극판으로 사용하는데 제한이 없다.
상기 양극판의 일부 영역에는 양극 탭(31)이 구비되는데 상기 양극 탭(31)은 상기 양극판이 연장되는 형태로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 양극판의 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접 등을 통하여 접합하는 형태로 구성하는 것도 가능하다.
상기 양극판에 대응되는 음극판은 주로 구리 재질이 이용된다. 대안적으로, 음극판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 음극판 또한 일부 영역에 음극 탭(32)이 구비되며, 앞서 설명된 양극 탭(31)과 같이 상기 음극판에서 연장되는 형태로 구현될 수 있음은 물론, 음극판 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접하는 등의 방법으로 접합할 수도 있다.
상기 양극 활물질로는 리튬함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물을 모두 사용할 수 있다. 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li1 + zNi1 -x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤z≤1, M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질과 음극 활물질의 종류와 화학적 조성은 이차 전지의 종류에 따라 얼마든지 달라질 수 있으므로 상기에서 열거한 구체적인 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다
상기 세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이의 단락을 방지한다. 또한, 상기 세퍼레이터는 전하를 띈 대전 입자, 예컨대 리튬 이온의 이동통로를 제공한다. 상기 세퍼레이터는 다공성이 있는 물질막이라면 그 종류에 특별한 제한이 없으며, 비제한적인 예시로서 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 공지된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터는 기재가 되는 필름 위에 코팅된 무기물 입자층을 포함할 수 있다. 상기 무기물 입자층은 바인더에 의해 결합된 무기물 입자들을 포함한다. 상기 무기물 입자들은 무기물 입자층에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)을 형성하여 상기 세퍼레이터의 기공 구조를 유지하며, 상기 세퍼레이터가 열에 의해 수축되는 것을 방지하는 스페이서로서 기능한다.
상기 단위 셀(40)의 구조는 상기한 바에 한정되지 않는다. 따라서 단위 셀(40)은 최 외곽 전극의 극성이 동일한 바이 셀 또는 최 외곽 전극의 극성이 서로 반대인 풀 셀 구조를 모두 가질 수 있다.
풀 셀은 양극판/세퍼레이터/음극판을 기본 구조로 하여 셀의 최 외곽에 양극판과 음극판이 위치하는 구조를 가진 셀이다. 풀 셀의 예로는, 가장 기본적인 구조의 양극판/세퍼레이터/음극판 셀과, 양극판/세퍼레이터/음극판/세퍼레이터/양극판/세퍼레이터/음극판 셀 등을 들 수 있다.
바이 셀은 양극판/세퍼레이터/음극판/세퍼레이터/양극판의 단위 구조 및 음극판/세퍼레이터/양극판/세퍼레이터/음극판의 단위구조와 같이 셀의 최 외곽에 동일한 극성의 전극이 배치되는 구조를 가진 셀이다.
한편, 본 발명은 상기 셀 어셈블리(30)의 구체적인 구조에 한정되지 않는다. 따라서 파우치 포장재(20) 내에 수납될 수 있다고 알려진 셈 어셈블리 구조라면 어떠한 것이라도 본 발명에 따른 셀 어셈블리 구조로 채용이 가능하다.
상기 양극 탭(31)과 음극 탭(32)은 각각 양극 리드(34) 및 음극 리드(35)와 접합된다. 공정성 향상을 위해 동일한 극성을 갖는 전극 탭들을 1차로 접합한 후 전극 탭들의 접합 부위를 전극 리드에 접합하는 것이 바람직하다. 전극 탭 간의 접합 또는 전극 탭과 전극 리드의 접합은 저항 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 등 공지의 용접 방법을 사용하여 실시하거나 도전성 접착제를 이용하여 실시할 수도 있다. 상기 양극 리드(34) 및 음극 리드(35)의 중간 영역에는 실링 테이프(33)가 접착되어 있을 수 있다. 상기 실링 테이프(33)는 상기 양극 리드(34) 및 상기 음극 리드(35)와 파우치 포장재(20)의 접착력을 향상시키기 위해 제공되는 것으로서, 상부 파우치 필름(20a) 및 하부 파우치 필름(20b)에 포함된 실링층(23)과 열 융착이 가능한 물질이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 비제한적인 예시로서, 상기 실링 테이프(33)는 폴리올레핀 수지층, 변성 폴리올레핀 수지층 또는 이들의 다중막으로 이루어질 수 있다.
전극 리드와 전극 탭 간의 접합이 완료된 셀 어셈블리(30)는 실링 공정을 통해 파우치 포장재(20) 내부에 밀봉된다. 상기 파우치 포장재(20) 내부에는 이차 전지(10)의 작동을 위해 리튬염을 포함하는 전해질이 포함될 수 있다. 이러한 전해질은 액상형, 겔형, 고체형 등 당업계에 알려진 어떠한 형태라도 가능하다.
도 2와 도 3은 파우치 포장재(20)의 가장 자리가 열과 압력에 의해 밀봉되는 과정에서 실링 브릿지가 형성되는 과정을 보여주는 공정 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 파우치형 이차 전지(10)의 제조 공정은 셀 어셈블리(30)를 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b) 사이에 협지시킨 후 실링 지그(60)를 이용하여 상기 필름(20a, 20b)의 가장 자리를 따라 열과 압력을 가하는 실링 공정을 포함한다.
상기 실링 공정은 파우치 포장재(20) 내에 전해액을 주입하기 전에 3개의 변을 1차 실링하는 공정과, 파우치 포장재(20) 내에 전해액을 주입하고 나서 마지막 한 변을 2차 실링하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 실링 공정은 전해액의 주액 시점과 전해액의 타입에 따라서 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들어, 셀 어셈블리(30)를 전해액에 미리 함침시켰다가 파우치 포장재(20)에 밀봉하는 경우 또는 전해액의 타입이 고체 전해질인 이차 전지의 경우는 실링 공정을 2회에 걸쳐 진행하지 않을 수 있다. 따라서 본 발명은 실링 공정의 회수나 실링 공정의 진행 시점 등에 의해 한정되지 않는다.
한편, 상기 셀 어셈블리(30)를 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b) 사이에 협지시켰을 때, 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b) 사이에는 약간의 이격이 발생한다. 셀 어셈블리(30)의 높이가 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b) 사이에 형성되는 공간의 높이보다 더 크기 때문이다. 상기와 같이 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b) 사이가 이격되면, 실링 공정이 진행되었을 때 셀 어셈블리(30)가 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b)에 의해 눌림으로써 그 위치가 파우치 포장재(20) 내에서 고정되는 효과가 생긴다.
또한, 상기 셀 어셈블리(30)는 좌측과 우측에 분리 필름(50)이 권취되면서 생긴 분리 필름 스텁(B)을 포함한다. 상기 분리 필름 스텁(B)은 실링 공정이 진행되는 과정에서 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b)에 의해 눌린다. 따라서 상기 분리 필름 스텁(B)은 실링 과정에서 도 3에 도시된 바와 같이 그 형상이 변형되면서 실링 부위로 돌출된다.
상기 실링 지그(60)는 통상적인 실링 장비에 구비된 부품으로써 적어도 상기 상부 파우치 필름(20a)과 상기 하부 파우치 필름(20b)의 실링층(23)이 용융되어 접합될 수 있을 정도의 열과 압력을 제공한다. 상기 실링 지그(60)는 소망하는 실링 영역(S)의 폭과 길이에 대응되는 기하학적 구조를 가지며, 그 재질은 열전도성이 좋은 금속 재질, 예컨대 구리, 스테인레스스틸, 강철 등으로 이루어질 수 있다.
상기 실링 지그(60)를 통해 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b)의 실링 영역(S)에 열과 압력이 가해지면, 도 3에 도시된 바와 같이 실링층(23)을 구성하는 물질이 녹으면서 실링 영역(S)이 밀봉된다. 이 때, 실링 영역(S)의 폭은 파우치 포장재(20) 내부로 수분이 침투되는 것을 장시간 동안 방지할 수 있는 조건으로 설정된다. 상기 실링 영역(S)은 비제한적인 예시로서 1. 5 내지 10mm의 폭을 가질 수 있다.
한편, 상기 파우치 포장재(20)가 밀봉되는 과정에서 상기 실링 지그(60)를 통해 실링 영역(S)에 압력이 가해지기 때문에 실링 영역(S)으로부터 실링 물질이 빠져나와 상기 압력이 전달되는 방향과 수직 방향으로 유동을 한다. 이처럼, 실링 영역(S)에서 빠져 나온 실링 물질을 ＇실링 잔여물(80)＇이라고 명명하기로 한다. 또한, 상기 실링 영역(S)이 밀봉되는 과정에서, 분리 필름 스텁(B)도 상부 파우치 필름(20a)과 하부 파우치 필름(20b)의 경사면(70)에 의해 눌리기 때문에 그 형상이 유지되지 않고 변형 된다. 즉, 분리 필름 스텁(B)이 실링 영역(S) 쪽으로 돌출되는 형상을 갖게 되는 것이다. 이하, 상기 형상의 가장 돌출된 부분을 ＇첨두(C)＇라고 명명한다. 따라서 실링 영역(S)이 셀 어셈블리(30)와 가까우면 실링 잔여물(80)이 분리 필름 스텁(B)의 첨두(C)와 접촉됨으로써 실링 브릿지가 형성된다. 이렇게 형성된 실링 브릿지가 파우치 포장재(20)의 내구성과 절연성에 부정적인 영향을 미친다는 것에 대해서는 종래 기술을 통해 이미 살펴보았으므로 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
따라서 본 발명은 파우치 포장재(20)가 열 실링 공정을 통해 밀봉되는 과정에서 실링 잔여물(80)에 의해 실링 브릿지가 형성되는 것을 방지하기 위한 목적으로 실링 영역(S)의 바람직한 위치 조건을 제공한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실링 영역(S)의 바람직한 위치 조건을 예시하기 위한 이차 전지(10)의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 이차 전지(10)의 단면을 기준으로 파우치 포장재(20)의 실링 영역(S)과 상기 실링 영역(S)과 인접한 파우치 포장재(20)의 단면 경사 라인(L)에 각각 가상의 제1 및 제2직선(90, 100)이 표시되어 있다. 상기 제1직선(90)은 실링 영역(S)의 최외측 표면에서 셀 어셈블리(30) 방향으로 평행하게 연장된 직선이고, 상기 제2직선(100)은 단면을 기준으로 상부 파우치 필름(20a)의 최외측 단면 경사 라인(L)의 특정 지점에서 형성한 접선 라인에 해당한다. 상기 단면 경사 라인(L)은 직선이 아니므로, 상기 제2직선(100)은 최외측에 있는 단면 경사 라인(L)의 각 지점에서 계산한 접선의 기울기 중 평균 기울기를 갖는 지점의 접선으로 정의할 수 있다. 상기 제1직선(90)과 상기 제2직선(100)은 하나의 교차점에서 만나게 되는데, 상기 분리 필름 스텁(B)의 첨두(C)는 상기 교차점을 중심으로 그 위치가 셀 어셈블리(30)의 내측으로 한정된다.
한편, 상기 실링 영역(S)은 양쪽에 실링 경계선(110a, 110b)을 갖는다. 상기 실링 잔여물(80), 특히 셀 어셈블리(30) 방향으로 유동하는 실링 잔여물(80)의 유동 거리(L1)는 셀 어셈블리(30)와 가깝게 위치한 오른쪽 실링 경계선(110b)으로부터 계산 가능하다. 이하, 특별한 언급이 없는 한 실링 경계선은 셀 어셈블리(30)와 가깝게 위치한 실링 경계선(110b)을 지칭한다. 따라서 상기 제1 및 제2직선(90, 100)의 교차점과 실링 경계선(110b) 사이의 거리(L2)가 실링 잔여물(80)의 유동 거리(L1)보다 크도록 실링 공정을 진행하면 실링 브릿지가 형성되는 것을 원천적으로 방지할 수 있다. 이하, 상기 L2는 ＇실링 마진＇이라고 명명하기로 한다.
본 발명에 따른 파우치형 이차 전지(10)는, 상기와 같은 실링 조건 하에서 파우치 포장재(20)가 열 실링 공정에 의해 밀봉된 것으로서, 실링 마진(L2)이 실링 잔여물(80)의 유동 거리(L1)보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 실링 마진(L2)은 바람직하게 1.5mm 이상, 더욱 바람직하게는 2mm 이상이다. 이하에서는, 이러한 실링 마진의 범위를 뒷받침하는 실험 예를 개시하기로 한다.
도 5는 바람직한 실링 마진(L2)을 추정하기 위해 제작한 파우치형 이차 전지의 실링 영역 중 5개의 지점에서 파우치 포장재를 박리시키고 실링 부위를 확대 촬영한 사진이다.
도 5의 사진에 예시된 이차 전지의 파우치 포장재를 밀봉할 때에는 실링 마진을 거의 두지 않고 열 실링 공정을 진행하였다. 또한 상기 이차 전지는 액상의 전해질을 포함하는 전지이다. 따라서 좌측 변, 상부 변, 하부 변을 1차 실링하고 실링이 되지 않은 파우치 포장재의 오른쪽 개구를 통해 전해액을 주액한 후 나머지 오른쪽 변을 2차로 실링하였다. 이 때, 실링 영역의 폭은 7.0mm로 설정하였다.
도 5에 도시된 이차 전지의 주변에 표시된 사진 이미지들은 파우치 포장재의 왼쪽 변에 표시된 ① 번 및 ② 번 지점과 오른쪽 변에 표시된 ③번, ④번 및 ⑤번 지점에서 파우치 포장재를 국소적으로 박리시킨 후 실링 잔여물이 어느 정도 이동하였는지 측정한 결과를 보여주는 사진이다. 사진 이미지들 중에서, ③번, ④번 및 ⑤번 지점에서 박리된 파우치 포장재의 사진은 파우치 포장재의 경사면이 명확하게 나타나 있지 않다. 이는 파우치 포장재가 국소적으로 박리되면서 셀 어셈블리(30)에 의해 유지되던 경사면의 형상이 변형되었기 때문이다. 사진 이미지들을 참조하면, 실링 잔여물이 0.925mm부터 1.45mm까지 유동하였음을 알 수 있다. 따라서 실링 마진(L2)은 바람직하게 1.5mm 이상, 더욱 바람직하게는 2mm 이상으로 설정하는 것이 최적임을 알 수 있다. 또한, 전해액이 주액된 쪽에 위치한 실링 영역에서 실링 잔여물의 유동 거리가 더 크므로, 그 실링 영역의 실링 마진을 다른 실링 영역의 실링 마진보다 상대적으로 크게 할 수도 있음을 알 수 있다. 전해액이 주액되는 측의 실링 영역에서 실링 잔여물의 이동거리가 큰 이유는 다른 영역보다 실링 압력이 상대적으로 더 크기 때문이다.
도 6은 실링 마진(L2)을 2mm로 설정한 상태에서 열 실링 공정을 진행하여 파우치 포장재를 밀봉한 파우치형 이차 전지의 단면을 촬영한 사진이다. 참고로, 도 6의 단면 사진이 촬영된 이차 전지는 도 5에 도시된 사진의 이차 전지와 동일한 스펙을 갖되, 실링 마진에서만 차이를 보인다.
도 6을 참조하면, 실링 마진(L2)을 2mm로 설정할 경우 실링 영역으로부터 빠져 나와 유동한 실링 잔여물의 유동 거리(L1)가 실링 마진(L2)보다 작으므로 분리 필름 스텁(B)의 첨두와 상기 실링 잔여물 사이에 충분한 여유 거리가 생겼음을 알 수 있다. 이러한 실험 결과로부터, 실링 마진(L2)을 2mm 이상으로 설정할 경우 실링 잔여물이 분리 필름 스텁의 첨부와 접촉하여 실링 브릿지가 생성되는 것을 원천적으로 차단할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 바람직한 실링 마진의 조건은, 전극 리드가 외부로 노출되어 있는 방향을 기준으로 좌측과 우측의 실링 영역, 즉 셀 어셈블리의 분리 필름 스텁과 대향하는 실링 영역에만 적용되고, 상기 전극 리드가 노출되는 측과 그 반대측의 실링 영역에는 실링 마진 조건이 적용되지 않을 수 있다. 실링 마진이 크면, 셀 어셈블리와 실링 영역의 거리가 증가하여 그 만큼 셀 어셈블리가 파우치 포장재에 의해 눌리는 효과가 줄어든다. 따라서, 전극 리드가 노출되는 측 및/또는 그 반대 측의 실링 영역에 본 발명에 따른 실링 마진 조건을 설정하지 않고 실링 영역과 셀 어셈블리 사이의 거리를 가능한 가깝게 두면, 셀 어셈블리가 파우치 포장재에 의해 눌리는 효과를 유지할 수 있다. 특히, 전극 리드가 노출된 측의 반대측에 실링 마진 조건을 적용하지 않는 것이 바람직하다. 여기서, 실링 마진 조건을 적용하지 않는다는 것은, 실링 마진이 실링 잔여물의 이동 거리보다 작은 경우를 의미한다. 이러한 방식의 실링 방법은 두 가지 이로운 효과의 상호 보완(trade off)을 가능하게 한다. 즉, 이차 전지의 진동 안전성을 향상시키면서도 파우치 포장재에 의한 셀 어셈블리의 고정 효과는 최대한 유지할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 이차 전지 20: 파우치 포장재
30: 셀 어셈블리 40: 단위 셀
50: 분리 필름 60: 실링 지그
70: 경사면 80: 실링 잔여물
90: 제1직선 100: 제2직선 L: 단면 경사 라인
110a, 110b: 실링 경계선 L1: 실링 잔여물의 유동 거리
L2: 실링 마진 S: 실링 영역
B: 분리 필름 스텁 C: 분리 필름 스텁의 첨두

Claims (13)

  1. 적어도 외부 보호층, 금속 기재 및 실링층이 라미네이트된 상부 파우치 필름과 하부 파우치 필름을 포함하는 파우치 포장재를 이용하여 셀 어셈블리를 감싸고 상기 파우치 포장재를 열 실링 공정을 통해 밀봉한 파우치형 이차 전지에 있어서,
    상기 파우치 포장재의 가장자리를 따라 상부 파우치 필름과 하부 파우치 필름의 실링층이 융착되어 형성된 실링 영역을 포함하고,상기 이차 전지의 단면을 기준으로 상기 실링 영역의 표면으로부터 수평으로 연장된 제1직선과 상기 실링 영역에 인접한 파우치 포장재의 단면 경사 라인상의 각 지점에서 형성할 수 있는 접선들 중에서 평균 기울기를 갖는 접선에 해당하는 제2직선의 교차점으로부터 상기 실링 영역의 경계선까지 측정한 거리인 실링 마진이 상기 실링 영역으로부터 유출된 실링 잔여물의 이동 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리는 분리 필름 위에 다수의 단위 셀을 일정한 간격으로 배열한 후 상기 분리 필름을 단위 셀들과 함께 일정한 방향으로 권취시킨 스택 폴딩 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리는 상기 실링 영역의 진행 방향을 따라 양측에 분리 필름 스텁을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분리 필름 스텁의 첨두는 상기 교차점을 중심으로 상기 셀 어셈블리의 내측으로 위치가 한정된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실링 영역의 폭은 1.5 ~ 10mm인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실링 마진이 1.5mm 이상 내지 전지 두께의 2배 미만임을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 실링 마진이 2mm 이상임을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 파우치 포장재는 적어도 4개의 실링 영역을 포함하고,
    상기 4개의 실링 영역 중 어느 한 개의 실링 영역이 다른 실링 영역보다 상대적으로 큰 실링 마진을 가지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실링 마진이 상대적으로 큰 실링 영역은 전해액이 주입된 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리는 분리 필름에 의해 전기적으로 분리된 다수의 단위 셀을 포함하고,
    각 단위 셀은 적어도 양극판, 음극판 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리는 각각의 단위 셀에 포함된 양극판 및 음극판으로부터 연장되어 도출된 다수의 양극탭 및 다수의 음극탭과,
    상기 다수의 양극탭 및 상기 다수의 음극탭과 각각 접합된 양극 리드 및 음극 리드를 포함하고,
    상기 양극 리드와 상기 음극 리드의 일단이 외부에 노출되도록 상기 셀 어셈블리가 상기 파우치 포장재 내에 밀봉된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 양극 리드 및 상기 음극 리드와 상기 파우치 포장재 사이에 실링 테이프가 개재된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 양극 리드 및 상기 음극 리드가 노출된 방향을 기준으로 좌측과 우측에 있는 실링 영역의 실링 마진이 실링 잔여물의 이동 거리보다 크고,
    상기 양극 리드 및 상기 음극 리드가 노출된 방향 및/또는 그 반대 쪽에 위치한 실링 영역의 실링 마진은 실링 잔여물의 이동 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
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