KR101864882B1 - Ptfe계 물질을 포함하는 전지케이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 장착될 수 있는 수납부를 포함하고 있고, 상기 전극조립체에 대면하는 전지케이스의 내면으로부터 제 1 고분자 수지층, 금속층, 및 제 2 고분자 수지층이 순차적으로 적층되어 있는 적층 구조로 이루어져 있으며, 최외층을 구성하는 상기 제 2 고분자 수지층은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지케이스를 제공한다.

Description

PTFE계 물질을 포함하는 전지케이스 {Battery Case Comprising PTFE-Based Material}
본 발명은 PTFE계 물질을 포함하는 전지케이스에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있어, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 파우치형 전지케이스의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지케이스(100)는 최외층을 이루는 외부 피복층(110), 물질의 관통을 방지하는 배리어층(130), 및 밀봉을 위한 내부 실란트층(150)으로 구성되어 있다.
외부 피복층(110)은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, ONy(연신 나일론 필름)이 많이 사용되고 있다. 배리어층(130)은 공기, 습기 등이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할하며, 주로 알루미늄(Al)이 사용되고 있다. 내부 실란트층(150)은 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 밀봉성을 제공하는 역할을 하며, 주로 CPP(무연신 폴리프로필렌 필름)로 이루어져 있다. 접착층(120, 140)은 배리어층(130)에 대한 ONy 외부 피복층(110) 및 CPP 내부 실란트층(150)의 낮은 접착력을 보완하는 역할을 한다.
이러한 다층 라미네이트 구조의 전지케이스는, 그것을 사용하여 전지를 제조하는 과정 또는 전지의 사용 중에, 라미네이트 시트의 외부 피복층이 이물질의 오염으로 인해, 변형 또는 손상됨으로써, 전극조립체를 안정적으로 보호할 수 없는 상태에 놓일 수 있다. 예를 들어, 전지의 제조과정 중, 전지케이스 내부에 전해액을 주입하는 경우, 상기 전해액 주입구에서 전해액이 누액되거나, 전해액을 주입한 상태의 전지케이스를 열융착에 의해 밀봉하는 과정에서, 상기 전지케이스 내의 전해액이 누출됨으로써, 상기 전해액이 전지케이스의 외부 피복층과 국부적으로 접촉할 수 있으며, 이에 따라, ONy로 이루어진 외부 피복층이 녹아 외관 불량이 발생할 수 있고, 나아가 알루미늄으로 이루어진 베리어층이 외부로 노출되어, 외부의 전기적 연결 부재들과 접촉함으로써, 전기적 문제를 발생시키거나, 상기 손상된 외부 피복층으로 인해, 전지케이스의 두께가 국부적으로 줄어들어, 내부의 전극조립체를 효과적으로 보호할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전지케이스의 최외층을 구성하는 고분자 수지층이 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)계 물질을 포함하도록 구성함으로써, 전해액과의 접촉에 의한 전지케이스의 외관 불량을 방지할 수 있고, 전지케이스의 변형 및 손상을 방지하여, 보다 안정적으로 내부의 전극조립체를 보호할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지케이스는,
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 장착될 수 있는 수납부를 포함하고 있고, 상기 전극조립체에 대면하는 전지케이스의 내면으로부터 제 1 고분자 수지층, 금속층, 및 제 2 고분자 수지층이 순차적으로 적층되어 있는 적층 구조로 이루어져 있으며, 최외층을 구성하는 상기 제 2 고분자 수지층은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)계 물질을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, PTFE계 물질을 포함하는 제 2 고분자 수지층이 전해액과 접촉하더라도, 변형 및 손상되지 않으며, 이에 따라, 전지케이스의 외관 불량을 방지할 수 있고, 보다 안정적으로 내부의 전극조립체를 보호할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 고분자 수지층과 금속층 및 제 2 고분자 수지층은 소정의 두께를 가질 수 있으며, 상세하게는, 상기 제 1 고분자 수지층의 두께는 20㎛ 내지 40㎛일 수 있고, 상기 금속층의 두께는 25㎛ 내지 45㎛일 수 있으며, 상기 제 2 고분자 수지층의 두께는 5㎛ 내지 25㎛일 수 있고, 더욱 상세하게는, 상기 제 1 고분자 수지층의 두께는 30㎛ 내외일 수 있고, 상기 금속층의 두께는 35㎛ 내외일 수 있으며, 상기 제 2 고분자 수지층의 두께는 15㎛ 내외일 수 있다.
만일, 상기 제 1 고분자 수지층과 금속층 및 제 2 고분자 수지층의 두께가 상기 범위를 벗어나 지나치게 얇을 경우, 상호간의 결합력 및 내구성이 저하되어, 장기간의 사용시 부분적인 탈리 현상이 발생할 수 있고, 이와 반대로, 지나치게 두꺼울 경우에는, 상기 전지케이스를 포함하는 전지셀의 사이즈가 증가하고, 제한된 전지셀의 크기 내에서, 상기 전지셀의 용량을 저하시킬 수 있으며, 상기 두께로 인해, 전지케이스의 성형성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 고분자 수지층, 금속층 및 제 2 고분자 수지층의 적층 구조는, 각각의 층을 형성하는 시트가 전지의 작동에 영향을 미치지 않는 비반응성 접착제(non-reactive adhesive)에 의해 부착되어 있는, 건식 적층(dry lamination) 방식에 의해 형성되는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 전지케이스는 전극조립체에 대면하는 전지케이스의 내면으로부터 제 1 고분자 수지층, 금속층, 및 제 2 고분자 수지층이 순차적으로 적층되어 있는 적층 구조로 이루어져 있는 바, 상기 제 1 고분자 수지층, 금속층 및 제 2 고분자 수지층은 각각의 층을 형성하는 시트가 소정의 접착제에 의해 상호 부착되는 건식 적층 방식에 의해 적층 구조를 형성할 수 있다.
이 때, 상기 접착제는 전지의 작동에 영향을 미치지 않는 비반응성 접착제일 수 있으며, 상기 비반응성 접착제는 실리콘 폴리머 접착제 또는 탄소 광섬유 폴리머 접착제일 수 있다.
또한, 상기 접착제는 제 1 고분자 수지층, 금속층 및 제 2 고분자 수지층의 사이에서, 전지케이스의 성형성에 영향을 주지 않으면서, 소망하는 접착력을 발휘할 수 있을 정도로, 소정의 두께를 형성하도록 구성될 수 있으며, 상세하게는, 1㎛ 내지 5㎛일 수 있으며, 더욱 상세하게는, 3㎛ 내외의 두께를 형성할 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 제 2 고분자 수지층은 PTFE가 용매에 용해된 상태의 미립자가 금속층 상에 분사 방식으로 부가되어 형성되는 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지케이스를 구성하는 제 1 고분자 수지층, 금속층 및 제 2 고분자 수지층의 적층 구조는, 각각의 층을 형성하는 시트가 전지의 작동에 영향을 미치지 않는 비반응성 접착제(non-reactive adhesive)에 의해 부착되어 있는, 건식 적층(dry lamination) 방식에 의해 형성될 수 있다.
그러나, 상기 적층 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제 2 고분자 수지층은 PTFE가 용매에 용해된 상태의 미립자가 금속층 상에 분사 방식으로 부가되어 형성되는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 각각의 층을 형성하는 시트가 접착제에 의해 부착되는 경우, 상기 각각의 시트는 전지의 장기간 사용에 따라 부분적인 탈리 현상이 발생될 수 있으며, 이에 따라, 전지케이스의 외관 불량이 발생하거나, 상기 탈리된 부위에 외부 이물질이 침투함으로써, 제 1 고분자 수지층 및 금속층을 손상시켜, 내부의 전극조립체를 안전하게 보호할 수 없을 수 있다.
그러나, 상기 제 2 고분자 수지층이 PTFE가 용매에 용해된 상태의 미립자 상태로서 금속층 상에 분사 방식으로 부가되어 형성되는 경우, 상기 미립자는 보다 안정적으로 금속층 상에 부착될 수 있으며, 상기 탈리 현상에 따른 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 제 2 고분자 수지층을 형성하는 미립자는 금속층 상에 접착제가 도포된 상태에서, 상기 접착제 상에 분사되어 부가될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 용매에 용해된 미립자 상태의 PTFE는 자체적으로 소정의 접착력을 발휘함을 고려하였을 때, 금속층 상에 별도의 접착제의 부가 없이, 용매에 용해된 미립자 상태의 PTFE를 직접 부가함으로써, 제 2 고분자 수지층을 형성할 수도 있음은 물론이다.
또한, 상기 분사 방식은 PTFE가 용매에 용해된 상태의 미립자를 금속층 상에 분사함으로써, 상기 미립자가 안정적으로 부가 및 고정될 수 있는 방법이라면, 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 스프레이 코팅 방식, 잉크젯 코팅 방식, 슬릿 코팅 방식, 다이 코팅 방식, 스핀 코팅 방식, 또는 전기분무 코팅 방식으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 더욱 상세하게는, 전기분무 코팅 방식일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 분사 방식에 의한 코팅 과정에서, 용매는 공기중으로 증발할 수 있으며, 이에 따라, 미립자 상태의 PTFE가 금속층 상에 균일하게 필름 형태로 부가될 수 있다.
한편, 상기 제 1 고분자 수지층은 PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene), PVdF(polyvinylidenefluoride), PET(polyethylene-terephthalate), PMMA(polymethylmethacrylate), 및 PAN(polyacrylonitrile)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있으며, 상기 금속층은 알루미늄 층일 수 있다.
본 발명은 상기 전지케이스를 포함하는 이차전지를 제공하는 바, 상기 이차전지는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있는 상태에서, 상기 수납부에 전해액을 주입하고, 밀봉하여 제조되는 구조일 수 있다.
다시 말해, 상기 이차전지는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있는 상태에서, 상기 수납부에 전해액을 주입하고, 밀봉하여 제조되며, 이 때, 상기 전지케이스의 최외층을 구성하는 제 2 고분자 수지층은 PTFE계 물질을 포함하고 있어, 상기 전해액의 주입 과정에서, 전해액의 누액에 따라, 상기 전해액이 전지케이스의 외면에 접촉하더라도, 상기 제 2 고분자 수지층이 녹지 않으며, 이에 따라, 전지케이스의 외관 불량을 방지할 수 있고, 전지케이스의 변형 및 손상을 방지하여, 보다 안정적으로 내부의 전극조립체를 보호할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 분리막 시트가 개재되어 있는 양극시트와 음극시트가 권취되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
그러나, 상기 전극조립체의 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 상세하게는, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 순차적으로 적층된 구조로 이루어지거나, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 단위셀들이 분리필름에 의해 연속적으로 권취된 구조로 이루어질 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 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; 카본블랙, 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, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 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 30 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 브티렌 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.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 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, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 130 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.
상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.
이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 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, 폴리비닐 알코올, 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 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 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.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 디바이스들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지케이스는, 전지케이스의 최외층을 구성하는 고분자 수지층이 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)계 물질을 포함하도록 구성함으로써, 전해액과의 접촉에 의한 전지케이스의 외관 불량을 방지할 수 있고, 전지케이스의 변형 및 손상을 방지하여, 보다 안정적으로 내부의 전극조립체를 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 파우치형 전지케이스의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지케이스의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지케이스(200)는 전극조립체에 대면하는 전지케이스(200)의 내면으로부터 제 1 고분자 수지층(250), 금속층(230), 및 제 2 고분자 수지층(210)이 순차적으로 적층되어 있는 적층 구조로 이루어져 있다.
제 1 고분자 수지층(250), 금속층(230), 및 제 2 고분자 수지층(210)은 각각의 층을 형성하는 시트가 전지의 작동에 영향을 미치지 않는 비반응성 접착제층들(220, 240)에 의해 부착되어 있다.
제 1 고분자 수지층(250), 금속층(230), 및 제 2 고분자 수지층(210)은 각각 30㎛, 35㎛, 및 15㎛의 두께를 갖고 있으며, 상기 제 1 고분자 수지층(250), 금속층(230), 및 제 2 고분자 수지층(210) 사이에 위치하는 각각의 비반응성 접착제층들(220, 240)은 3㎛의 두께를 형성하도록 구성되어 있다.
제 2 고분자 수지층(210)은 PTFE계 물질을 포함하고 있으며, 이에 따라, 전극조립체에 대한 전해액의 함침 과정에서, 누액되거나 유출되는 전해액과 접촉하더라도, 녹지 않으므로, 전지케이스(200)의 외관 불량을 방지할 수 있고, 전지케이스의 변형 및 손상을 방지하여, 보다 안정적으로 내부의 전극조립체를 보호할 수 있다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지케이스의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 제 2 고분자 수지층(310)은 PTFE가 용매에 용해된 상태의 미립자(311)가 금속층(330) 상에 분사 방식으로 부가되어 형성되어 있으며, 더욱 구체적으로, 미립자(311)는 금속층(330) 상에 부가되어 있는 접착체층(320) 상에 부가되어 있다.
제 2 고분자 수지층(310)이 PTFE가 용매에 용해된 상태의 미립자(311) 상태로서 금속층(330) 상에 분사 방식으로 부가되어 형성되는 경우, 상기 제 2 고분자 수지층(310)을 형성하는 시트가 접착제에 의해 부착되어 있는 경우에 비해, 보다 용이하게, 상기 제 2 고분자 수지층(310)의 탈리 현상을 방지할 수 있다.
전지케이스의 제 1 고분자 수지층(350) 및 상기 제 1 고분자 수지층(350)과 금속층(330) 사이의 접착체층(340)을 비롯한 나머지 구조는 도 2와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 장착될 수 있는 수납부를 포함하고 있고, 상기 전극조립체에 대면하는 전지케이스의 내면으로부터 제 1 고분자 수지층, 금속층, 및 제 2 고분자 수지층이 순차적으로 적층되어 있는 적층 구조로 이루어져 있으며, 최외층을 구성하는 상기 제 2 고분자 수지층은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지케이스에 있어서,
    제 2 고분자 수지층은 PTFE가 용매에 용해된 상태의 미립자가 금속층 상에 분사 방식으로 부가되어 형성되며,
    상기 분사 방식은 스프레이 코팅 방식, 잉크젯 코팅 방식, 슬릿 코팅 방식, 다이 코팅 방식, 스핀 코팅 방식, 또는 전기분무 코팅 방식으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고분자 수지층의 두께는 20㎛ 내지 40㎛인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층의 두께는 25㎛ 내지 45㎛인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 고분자 수지층의 두께는 5㎛ 내지 25㎛인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고분자 수지층, 금속층 및 제 2 고분자 수지층의 적층 구조는, 각각의 층을 형성하는 시트가 전지의 작동에 영향을 미치지 않는 비반응성 접착제(non-reactive adhesive)에 의해 부착되어 있는, 건식 적층(dry lamination) 방식에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 비반응성 접착제는 실리콘 폴리머 접착제 또는 탄소 광섬유 폴리머 접착제인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 고분자 수지층은 PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene), PVdF(polyvinylidenefluoride), PET(polyethylene-terephthalate), PMMA(polymethylmethacrylate), 및 PAN(polyacrylonitrile)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄 층인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  11. 제 1 항에 따른 전지케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 이차전지는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있는 상태에서, 상기 수납부에 전해액을 주입하고, 밀봉하여 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전극조립체는 분리막 시트가 개재되어 있는 양극시트와 음극시트가 권취되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 단위셀들이 분리필름에 의해 연속적으로 권취된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제 11 항에 따른 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층과 제 2 고분자 수지층 사이에는 별도의 접착층이 없는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
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