KR101743839B1 - 이차전지용 파우치 외장재 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차전지용 파우치 외장재 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 구체적으로 내부 수지층, 금속층 및 외부 수지층으로 이루어진 이차전지용 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부 수지층은 복수개의 기공을 갖는 다공성 부직포 지지체, 및 상기 부직포 지지체 중의 기공 내부에 충전된 고분자 실런트를 포함하는 이차전지용 파우치 외장재 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 이차전지용 파우치 외장재 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것으로, 구체적으로 침상 관통 특성 (nail penetration) 및 이물 저항성을 향상시켜 안정성을 확보한 이차전지용 파우치 외장재 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 연구가 대두되고 있다.
이차전지는 형상 면에서 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 리튬 이차전지와 파우치형 리튬 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성이 우수한 리튬 코발트 폴리머 이차전지에 대한 수요가 높다.
상기 각형 리튬 이차전지의 경우 전극조립체를 외부 충격으로부터 보호하는데 유리하며 주액 공정이 쉬운 반면에, 형태가 고정되어 있어 부피를 줄이는데 어려움이 있다. 따라서, 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 경우 디자인이 한정된다는 단점이 있다. 또한, 안전성 측면에서 기체 또는 액체를 내보내는 효과 (vent)가 원활하지 못해 인해 내부 열 및 가스가 축적되어 폭발의 위험성이 크며, 내부의 열을 효과적으로 방출하지 못하여 과열로 인한 셀 퇴화를 유발하는 시간이 짧다는 단점이 있다.
반면에, 상기 파우치형 리튬 이차전지의 경우, 형태 및 크기에 제약이 없어 얇은 두께의 셀 제작에 특히 적합하고, 열융착을 통한 조립이 쉬우며, 이상거동 발생 시 기체나 액체를 내보내는 효과가 용이하여 안전성이 높다는 장점이 있다. 하지만, 각형 이차전지 대비 두께가 얇은 연질의 라미네이트 시트 (파우치)를 용기로 사용하기 때문에, 물리적, 기계적 강도가 약하고 밀봉의 신뢰성이 낮아 외부 충격 등에 대한 안전성이 낮다는 단점이 있다.
특히, 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 전극 내의 이물질, 침상 관통 (Nail Penetration) 등의 국부적 손상 (local crush)에 의해 짧은 시간 내에 파우치 이차전지 내부로 큰 전류가 흐르게 될 경우에는, 활물질이 코팅된 전극이 발열원을 제공하여 열을 발생시키고, 이에 따라 전지의 온도가 급격히 상승하게 되면서 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진되어 전지의 발화가 유발될 뿐만 아니라, 전해액과 전극 사이의 반응으로 발생한 가스에 의해 전지 내압이 상승되면서 이차전지가 부풀어 오르다 (swelling) 폭발하는 문제점이 있다. 이러한 폭발 위험성은 안전성에 있어서 심각한 문제를 야기하므로 리튬 이차 전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.
이에, 파우치형 이차전지의 개발 시 필수적으로 고려해야 할 사항은 외부 충격에 대한 안전성 확보에 있다. 이를 위하여, 종래 부드러운 재질의 파우치 외장재 표면에 별도의 강도 강화층을 추가로 형성하여 전지의 강도를 강화하는 방법이 제안되었다. 하지만, 이 경우 파우치 외장재 외에 별도의 강도 강화층을 추가로 구성해야 하기 때문에, 전지의 크기, 부피 및 중량이 늘어나고, 전지의 제조비용이 증가하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 침상 관통 특성 (nail penetration) 및 이물 저항성을 향상시켜 안정성을 확보한 이차전지용 파우치 외장재 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예에서는
내부 수지층, 외부 수지층 및 상기 내부 수지층과 외부 수지층 사이에 위치하는 금속층으로 이루어진 이차전지용 파우치 외장재에 있어서,
상기 내부 수지층은 복수개의 기공을 갖는 다공성 부직포 지지체, 및 상기 부직포 지지체 중의 기공 내부에 충전된 고분자 실런트를 포함하는 이차전지용 파우치 외장재를 제공한다.
이때, 상기 이차전지용 파우치 외장재는 상기 내부 수지층의 일면 또는 양면에 고분자 부재층을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에서는 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 수용하는 본 발명의 파우치 외장재를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명에서는 이차전지용 파우치 외장재의 구성 성분 중 하나로, 복수개의 기공을 갖는 다공성 부직포 지지체, 및 상기 부직포 지지체 중의 기공 내부에 충전된 고분자 실런트를 포함하는 내부 수지층을 포함함으로써, 침상 관통 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, 이물 저항성을 향상시켜 안정성을 확보한 파우치형 이차전지를 제조할 수 있다.
도 1은 종래 내부 수지층/금속층/외부 수지층으로 이루어진 파우치 외장재의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 내부 수지층/금속층/외부 수지층으로 이루어진 제1 파우치 외장재의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도 및 상기 내부 수지층에 대한 평면도(A-A)이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 다층 구조의 내부 수지층/금속층/외부 수지층으로 이루어진 제2 파우치 외장재의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도 및 상기 내부 수지층에 대한 평면도(B-B)이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 내부 수지층/금속층/외부 수지층으로 이루어진 제1 파우치 외장재의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도 및 상기 내부 수지층에 대한 평면도(A-A)이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 다층 구조의 내부 수지층/금속층/외부 수지층으로 이루어진 제2 파우치 외장재의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도 및 상기 내부 수지층에 대한 평면도(B-B)이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이때, 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.
통상의 이차전지용 파우치 외장재는 도 1에 도시한 바와 같이 실링재 역할을 하는 내부 수지층(11), 기계적 강도를 유지하면서 수분과 산소 배리어층 역할을 하는 금속층(17) 및 보호층으로 작용하는 외부 수지층(19)으로 이루어진다.
이때, 상기 내부 수지층은 무연신 폴리프로필렌(Casted Polypropylene; CPP)층을 포함하고, 상기 금속층은 알루미늄층을 포함하며, 상기 외부 수지층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 나일론층이 적층된 다층막 구조를 포함한다.
이때, 상기 내부 수지층인 무연신 폴리프로필렌층의 경우, 실링을 위한 열융착 공정 시에 크랙이 발생하거나, 충격에 쉽게 파괴되는 단점이 있고, 이는 궁극적으로 파우치형 이차전지 내부로 수분 침투의 원인이 되어 파우치형 이차전지의 안전성 저하를 가져온다.
상기 문제점을 개선하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는
내부 수지층, 외부 수지층 및 상기 내부 수지층과 외부 수지층 사이에 위치하는 금속층으로 이루어진 이차전지용 파우치 외장재에 있어서,
상기 내부 수지층은 복수개의 기공을 갖는 다공성 부직포 지지체, 및
상기 부직포 지지체 중의 기공 내부에 충전된 고분자 실런트를 포함하는 이차전지용 파우치 외장재를 제공한다.
또한, 본 발명의 파우치형 이차전지는 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 수용하는 상기 파우치 외장재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명할 수 있다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 제1 파우치 외장재는 하기 도 2에 나타낸 바와 같이, 실링재 역할을 하는 내부 수지층(21), 기계적 강도를 유지하면서, 수분 침투 및 전하 이동을 막아 부반응을 방지하는 금속층(27) 및 보호층으로 작용하는 외부 수지층(29)으로 이루어져 있다.
구체적으로, 상기 내부 수지층은 복수개의 기공을 갖는 다공성 부직포 지지체(22), 및 상기 부직포 지지체 중의 기공 내부에 충전된 고분자 실런트(23)로 이루어진 것이 바람직하다.
이때, 상기 내부 수지층에서 지지체 역할을 하는 다공성 부직포 지지체(22)는 폴리프로필렌 수지와 폴리에스테르 수지를 혼합하여 방사하여 제조할 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 수지는 자체 연신률은 약 200% 이상으로 높은 반면에, 180℃에서의 열 수축률이 약 50% 이상으로 매우 높다는 단점이 있다. 또한, 폴리에스테르 수지는 열 수축률은 낮으나, 연신률이 매우 낮다는 단점이 있다.
이에, 본 발명에서는 상기 폴리프로필렌 수지 : 폴리에스테르 수지를 5:5 내지 7:3의 중량비, 구체적으로 6:4 중량비의 범위로 혼합 방사함으로써, 200% 이상의 높은 연신률을 가지며, 180℃에서의 열 수축률이 약 5% 정도로 향상된 다공성 부직포 지지체(22)를 얻을 수 있다.
이때, 타겟하는 물성 값에 따라, 상기 폴리프로필렌 수지와 폴리에스테르 수지의 함량 범위를 적절히 조절할 수 있다. 즉, 상기 폴리프로필렌 수지의 함량 범위를 높여 연신율이 향상된 다공성 지지체를 제조하거나, 폴리에스테르 수지의 함량 범위를 높여 강도가 향상된 다공성 지지체를 제조할 수 있다.
더욱이, 기존의 폴리프로필렌 수지만으로 이루어진 내부 수지층의 경우, 마이크로 수준의 이물에 대하여 크랙이 발생하는 반면에, 본 발명의 폴리프로필렌 수지와 폴리에스테르 수지를 혼합 방사하여 이루어진 내부 수지층의 경우, 연신율이 높은 촘촘하게 얽혀있는 그물 구조의 다공성 부직포 지지체를 포함하고 있다. 이에, 상기 부직포 지지체가 이물질과 접촉하게 되면 이물질을 감싸는 구조를 형성하여, 이물질에 의한 깨짐이나 파괴되는 현상을 최소화할 수 있고, 따라서 금속층에 이물질이 직접 접촉할 수 있는 가능성을 차단할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 내부 수지층은 멜트블로운(melt-blown) 방법을 이용하여 폴리프로필렌 수지와 폴리에스테르 수지 (폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지)를 각각 용융시킨 다음, 약 100 내지 300℃의 고온에서 혼합 방사하여, 기공(미도시)을 가지는 섬유상 다공성 고분자 웹 형태로 형성할 수 있다(도 2의 A-A 단면 참조).
이때, 상기 다공성 부직포 지지체의 두께는 10 내지 80㎛, 구체적으로 30 내지 80㎛일 수 있다. 만약, 상기 두께가 10㎛ 이하인 경우 관통 시 연신되는 양이 작아, 침상 관통 특성이 저하될 수 있고, 실링 공정을 실시하기 어렵다는 단점이 있다. 또한, 다공성 부직포 지지체의 두께가 80㎛를 초과하는 경우, 파우치 셀의 크기가 증대하여 소형, 고용량화에 반하는 문제점이 있다.
또한, 상기 고분자 실런트는 폴리프로필렌 수지를 포함할 수 있으며, 상기 폴리프로필렌 수지를 압출하여 다공성 부직포 지지체 중의 기공 내부를 충전하는 형태로 형성되는 것이 바람직하다(도 2의 A-A 단면 참조).
이때, 상기 충전 방법은 T-다이 익스트루더(T-die Extruder) 또는 인플레이션(Inflation 2 Way)으로 방법을 이용하여 실시할 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 제2 파우치 외장재는 연신율을 더욱 향상시키기 위하여 상기 내부 수지층의 일면 또는 양면에 고분자 부재층(34,35)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 이차전지용 파우치 외장재는 내부 수지층(31), 금속층(37) 및 외부 수지층(39)을 포함하고 있으며, 이때 상기 내부 수지층은 복수개의 기공을 갖는 다공성 부직포 지지체(32), 및 상기 부직포 지지체 중의 기공 내부에 충전된 고분자 실런트(33)를 포함할 수 있다(도 3의 B-B 단면 참조).
더욱이, 본 발명의 이차전지용 제2 파우치 외장재는 상기 내부 수지층의 일면 또는 양면에 폴리프로필렌 수지로 이루어진 고분자 부재층(34,35)을 포함할 수 있다 (도 3 참조).
상기 고분자 실런트로 기공 내부를 충전하거나, 부직포의 일면 또는 양면에 고분자 부재층을 코팅/형성하는 공정은 모두 T-다이 익스트루더(T-die Extruder) 또는 인플레이션(Inflation 2 Way)으로 방법을 이용하여 실시할 수 있다.
이때, 상기 본 발명의 제2 파우치 외장재에 있어서, 상기 고분자 부재층의 한 층의 두께는 20 내지 40㎛, 바람직하게는 20㎛일 수 있다. 또한, 상기 고분자 부재층을 포함하는 경우, 다공성 부직포 지지체와 상기 고분자 부재층을 포함하는 내부 수지층의 두께는 상기 다공성 부직포 지지체의 최대 두께, 예컨대 80㎛를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
만약, 다공성 부직포 지지체와 고분자 부재층을 포함하는 내부 수지층의 두께의 합이 80㎛을 초과하는 경우, 파우치 셀의 크기가 증대하여 소형, 고용량화에 반하는 문제점이 있다.
한편, 본 발명의 이차전지용 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부 수지층은 파우치 외장재 제조 시 사용되는 통상적인 접착제를 이용하여 상기 금속층과 접합될 수 있다.
본 발명의 파우치 외장재에 있어서, 상기 금속층은 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금, 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 들 수 있으며, 구체적으로 알루미늄으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 금속층의 두께는 20 내지 100㎛ 일 수 있다.
본 발명의 파우치 외장재에 있어서, 상기 외부 수지층은 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 나일론, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 수지, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 수지, 및 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
이때, 상기 외부 수지층의 두께는 10 내지 100㎛ 일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 파우치 외장재는 연신률이 높은 다공성 부직포 지지체와 상기 부직포 지지체 중의 기공 내부에 충전된 고분자 실런트, 및 선택적으로 고분자 부재층을 포함함으로써, 브레이크 포인트 (break point)에서 파우치 외장재가 파단되는 대신 자연스럽게 엉킴 (entanglement)이 풀어지는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 파우치 외장재에 대한 네일 테스트에서, 못이 파우치 외장재를 관통할 때, 내부 수지층에 의해 못이 감싸지면서 관통을 방지하여 전해액과 금속층, 또는 전극 호일 간의 접촉을 방지할 수 있다. 따라서, 쇼트 (short) 등에 의한 폭발을 방지할 수 있으므로, 파우치형 이차전지의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에서는
전극조립체; 및
상기 전극조립체를 수용하는 본 발명의 제1 또는 제2 파우치 외장재를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공한다.
이때, 상기 조립체는 분리막을 사이에 두고 음극활물질을 포함하는 음극과 양극활물질을 포함하는 양극이 절연되어 권취되어 구성된 것이다.
구체적으로 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
본 발명에 따른 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 하나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물(LiMnO2); 리튬 구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M는 Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x는 0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M는 Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x는 0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M는 Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 하는 화합물과 혼합 사용할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 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 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
또한, 음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 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 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 재료는 비정질 카본 또는 정질 카본을 포함하며, 구체적으로는 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 -xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, 또는 Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 양극과 음극 사이에서 상기 전극들을 절연시키는 분리막으로는 통상 알려진 폴리올레핀계 분리막이나, 또는 올레핀계 기재에 유,무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등을 모두 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
상기와 같은 구조로 이루어진 전극집전체를 파우치 외장재에 수납한 다음, 전해액을 주입하여 전지를 제조한다.
본 발명에 따른 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해질로서, 이는 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부티로락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
한편, 상기와 같은 파우치형 이차전지는 리튬이차전지인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 파우치형 이차전지는 중대형 디바이스의 전원이 전지 모듈의 단위전지로 사용될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
실시예
실시예 1
(내부 수지층 제조)
폴리프로필렌 수지 및 폴리에스테르 수지(PET)를 용융시키고, 약 220℃에서 상기 폴리프로필렌 수지 및 폴리에스테르 수지를 6:4 중량비로 혼합 방사하여 80㎛ 두께의 다공성 부직포 지지체를 제작하였다.
이어서, 폴리프로필렌 수지를 용융시킨 후, T-다이(닥터 블레이드) 방법을 이용하여 부직포 지지체 중의 내부 기공에 폴리프로필렌 수지를 충전하여, 전체 약 80㎛ 두께의 내부 수지층 시트를 제조하였다(도 2의 A-A 참조).
(제1 파우치 외장재 제조)
금속층으로 알루미늄 박막 (40㎛)의 일면에 상기 내부 수지층 시트를 접착시키고, 이어서 금속층의 타면에 외부 수지층인 PET/나일론층 (40㎛)을 접착하여 제1 파우치 외장재용 시트를 제작하였다(도 2 참조).
실시예 2
(내부 수지층 제조)
폴리프로필렌 수지 및 폴리에스테르 수지(PET)를 용융시키고, 약 220℃에서 상기 폴리프로필렌 수지 및 폴리에스테르 수지를 5:5 중량비 혼합 방사하여 40㎛ 두께의 다공성 부직포 지지체를 제작하였다.
이어서, 폴리프로필렌 수지를 용융시킨 후, T-다이(닥터 블레이드) 방법을 이용하여 부직포 지지체 중의 내부 기공에 폴리프로필렌 수지층을 충전하였다.
그 다음으로, 상기 다공성 부직포 지지체 양면에 폴리프로필렌 수지(20㎛)를 코팅하여 전체 약 80㎛ 두께의 내부 수지층 시트를 제조하였다 (도 3의 B-B 참조).
(제2 파우치 외장재 제조)
금속층으로 알루미늄 박막 (40㎛)의 일면에 상기 내부 수지층 시트를 접착시키고, 이어서 상기 금속층의 타면에 외부 수지층인 PET/나일론층 (40㎛)을 접착하여 제2 파우치 외장재용 시트를 제작하였다(도 3 참조).
비교예 1
금속층으로 알루미늄 박막 (40㎛) 상에 폴리프로필렌 단독 수지층 시트(80㎛)를 접착시키고, 이어서 외부 수지층인 PET/나일론층 (40㎛)을 접착하여 파우치 외장재용 시트를 제작하였다(도 1 참조).
실험예
실험예 1
상기 실시예 1과 2 및 비교예 1에서 각각 제작된 파우치 외장재용 시트들을 대상으로 열 수축률 테스트 및 안전성 실험(만충전 후 못 관통(nail penetration) 실험)을 실시하였다.
실험 결과, 실시예 1 및 2의 파우치 외장재용 시트의 경우, 못이 연신률이 큰 부직포에 의해 감싸져 나오면서 뚫고 나오지 못하는 형상이 관찰된 반면, 상기 비교예 1의 파우치 외장재용 시트의 경우 못이 쉽게 통과되면서, 파우치 외장재 주변이 크랙되는 현상이 관찰되었다 (하기 표 1 참조).
또한, 실시예 1 및 2의 파우치 외장재용 시트의 경우 180℃에서 열 수축률이 10% 이하로 육안상 변화가 관찰되지 않은 반면, 상기 비교예 1의 파우치 외장재용 시트의 경우 약 50% 이상 열 수축률이 발생하는 것을 확인할 수 있었다 (하기 표 1 참조).
| 안정성 실험 | 열 수축율 | |
| 실시예 1 | O | < 10% |
| 실시예 2 | O | < 10% |
| 비교예 1 | X | 50%< |
O: 못이 시트를 통과 못한 경우
X: 못이 시트를 통과한 경우
상기와 같은 실험으로 인하여 본 발명의 파우치형 외장재를 포함하는 파우치형 이차전지는 안정성 향상 면에서 대단히 큰 효과가 있는 것을 예측할 수 있다.
11, 21, 31: 내부 수지층
17, 27, 37: 금속층
19, 29, 39: 외부 수지층
22, 32: 다공성 부직포 지지체
23, 33: 고분자 실런트
34, 35: 고분자 부재층
A-A, B-B : 내부 수지층 절단면
17, 27, 37: 금속층
19, 29, 39: 외부 수지층
22, 32: 다공성 부직포 지지체
23, 33: 고분자 실런트
34, 35: 고분자 부재층
A-A, B-B : 내부 수지층 절단면
Claims (17)
- 내부 수지층, 외부 수지층 및 상기 내부 수지층과 외부 수지층 사이에 위치하는 금속층으로 이루어진 이차전지용 파우치 외장재에 있어서,
상기 내부 수지층은 복수개의 기공을 갖는 다공성 부직포 지지체, 및
상기 부직포 지지체 중의 기공 내부에 충전된 고분자 실런트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 부직포는 폴리프로필렌 수지와 폴리에스테르 수지를 혼합 방사하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 2에 있어서,
상기 폴리프로필렌 수지 : 폴리에스테르 수지의 중량비는 5:5 내지 7:3의 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 3에 있어서,
상기 폴리프로필렌 수지 : 폴리에스테르 수지의 중량비는 6 : 4의 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 다공성 부직포 지지체의 연신률은 200% 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 다공성 부직포 지지체의 두께는 10㎛ 내지 80㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 고분자 실런트는 폴리프로필렌 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 내부 수지층은 상기 다공성 부직포 지지체의 적어도 일면 또는 양면에 고분자 부재층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 8에 있어서,
상기 고분자 부재층은 폴리프로필렌 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 8에 있어서,
상기 고분자 부재층의 두께는 20 내지 40㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 8에 있어서,
상기 다공성 부직포 지지체와 상기 고분자 부재층을 포함하는 내부 수지층의 두께의 합은 80㎛를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속층은 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금, 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 12에 있어서,
상기 금속층은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속층의 두께는 20 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 외부 수지층은 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 나일론, 저밀도 폴리에틸렌 수지, 고밀도 폴리에틸렌 수지, 및 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 단일물 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 청구항 1에 있어서,
상기 외부 수지층의 두께는 10 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치 외장재.
- 전극조립체; 및
상기 전극조립체를 수용하는 파우치 외장재를 포함하며,
상기 파우치 외장재는 청구항 1의 이차전지용 파우치 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
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