KR101984265B1 - 파우치형 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

파우치형 이차전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 리드 부분의 밀봉을 개선하여 안전성이 향상시키기 위하여,양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 2개 이상의 양극탭 및 음극탭; 상기2개 이상의 양극탭과 음극탭이 각각 전기적으로 접속된 양극 리드 및 음극 리드; 및 주변 부위에 형성된 열융착 라인에 의해 상기 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 전극조립체를 수용하는 파우치형 케이스;를 포함하는 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 양극 리드 및 음극 리드는 각각 상면 리드 필름과 하면 리드 필름으로 이루어진 한 쌍의 리드 필름이 부착되어 있으며, 상기 한쌍의 리드 필름의 양 끝 단부에 단차가 생기도록 접합된 것을 특징으로 하는, 파우치형 이차전지를 제공한다.

Description

파우치형 이차전지 및 그 제조방법{Pouch type secondary battery and method of fabricating the same}
본 발명은 파우치형 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실링 영역을 개선한 파우치형 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차(EV) 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 큰 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 전극조립체와, 전극조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다. 리튬 이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차전지와 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류될 수 있다.
파우치형 이차전지는 이차전지의 양/음극 탭(tab)에 연결된 전극리드가 한쪽으로 나와 있는 단방향 전지 또는 마주보고 있는 방향으로 나와 있는 양방향 전지로 나뉜다. 상기 전극리드의 양면에는 리드필름이 형성되어 절연특성을 확보한다.
그러나, 파우치의 밀봉되는 영역 중, 리드필름이 형성된 부분은 상대적으로 밀봉이 취약하여 전지의 과충전 또는 내부 단락 등에 의한 전지의 팽창으로 가스나 전해액 등이 누출될 수 있어, 이에 대한 개선이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 파우치형 이차전지의 전극 리드 부분의 밀봉을 개선하여 안전성이 향상된 파우치형 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는 양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 2개 이상의 양극탭 및 음극탭; 상기 2개 이상의 양극탭과 음극탭이 각각 전기적으로 접속된 양극 리드 및 음극 리드; 및 주변 부위에 형성된 열융착 라인에 의해 상기 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 전극조립체를 수용하는 파우치형 케이스;를 포함하는 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 양극 리드 및 음극 리드는 각각 상면 리드 필름과 하면 리드 필름으로 이루어진 한 쌍의 리드 필름이 부착되어 있으며, 상기 한쌍의 리드 필름의 양 끝 단부에 단차가 생기도록 접합된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 상면 리드 필름과 상기 하면 리드 필름의 폭이 동일하며, 상기 리드 필름들의 폭의 중심이 어긋나도록 접합될 수 있다.
바람직하게는, 상기 단차는 상기 전극 리드의 폭의 0.01 내지 5%의 길이를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 리드 필름은 0.1 내지 2 mm의 두께를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 리드 필름은 절연성 필름일 수 있다.
바람직하게는, 상기 리드 필름은 폴리이미드(PI: polyimide), 폴리프로필렌(PP: polyprophylene), 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: polyethylene terephthalate) 및 폴리비닐 클로라이드(PVC: polyvinyl chloride) 등으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질 층(단일 막 또는 다중 막)으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 파우치형 케이스는 폴리머 재질의 절연층과 접착층 사이에 알루미늄 박막이 개재된 알루미늄 파우치 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 양극 및 음극의 전극 리드가 연결된 전극조립체를 제공하는 단계; 상기 전극 리드에 한 쌍의 리드 필름을 단차가 생기도록 부착하는 단계; 및 상기 전극조립체를 파우치형 전지케이스 내부에 장착하고 상기 전극리드가 외부로 돌출되도록 상기 전지케이스의 외주부를 따라 상기 전지케이스의 상부 시트와 하부 시트를 접착시켜 밀봉하는 단계;를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 전극 리드 부분의 밀봉성을 개선하여 과충전/내부 단락 등에 대한 이차전지의 내구성을 개선시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1 및 2는 종래 파우치형 이차전지의 전극 리드 부분의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극 리드 부분의 단면도이다.
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 아니되며, 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 2개 이상의 양극탭 및 음극탭; 상기 2개 이상의 양극탭과 음극탭이 각각 전기적으로 접속된 양극 리드 및 음극 리드; 및 주변 부위에 형성된 열융착 라인에 의해 상기 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 전극조립체를 수용하는 파우치형 케이스;를 포함하며, 상기 양극 리드 및 음극 리드는 각각 상면 리드 필름과 하면 리드 필름으로 이루어진 한 쌍의 리드 필름이 부착되어 있으며, 상기 한쌍의 리드 필름의 양 끝 단부에 단차가 생기도록 접합된다.
상기 전극조립체는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 구성되며, 파우치형 케이스에 수납된다. 이 때, 전극조립체는 다수의 양극판 및 음극판이 적층된 상태로 파우치형 케이스에 수납되거나, 하나의 양극판 및 음극판이 권취된 상태로 파우치형 케이스에 수납될 수 있다.
상기 전극조립체의 전극판들은 알루미늄(Al) 재질이나 구리(Cu) 재질의 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등에 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 그리고, 각각의 전극판들에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있고, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭이 형성될 수 있다.
양극 활물질은 리튬 이온이 흡장(intercalation)/탈리(deintercalation)할 수 있도록 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용될 수 있으며, 예를 들어 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1 - xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들을 사용하여 형성될 수 있다. 음극 활물질도 리튬 이온이 흡장/탈리할 수 있도록 탄소(C) 계열의 물질, 실리콘(Si), 주석(Sn), 주석 산화물, 주석 합금 복합체(tin alloy composite), 전이금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등의 물질로 형성될 수 있다.
분리막은 양극판과 음극판 사이에 개재되어 양극판과 음극판 사이에 발생할 수 있는 쇼트를 차단시킬 수 있으며, 분리막으로 인해 리튬 이온의 이동만이 가능하다. 분리막은 폴리올레핀으로 형성될 수 있으며, 상기 폴리올레핀의 구체적인 예로는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 등과 같은 폴리에틸렌; 폴리프로필렌; 폴리부틸렌; 폴리펜텐: 폴리헥센: 폴리옥텐: 에틸렌, 프로필렌, 부텐, 펜텐, 4-메틸펜텐, 헥센, 옥텐 중 1종 이상의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 전극 탭은, 예컨대 양극 탭과 음극 탭으로 구성되며, 각각 전극조립체로부터 돌출되도록 형성된다. 즉, 양극 탭은 전극조립체의 양극판으로부터 돌출되도록 형성되고, 음극 탭은 전극조립체의 음극판으로부터 돌출되도록 형성된다. 이 때, 양극 탭 또는 음극 탭은 양극판 또는 음극판에 부착되는 형태로 돌출되게 형성될 수 있으며, 각각 양극 집전체 또는 음극 집전체와 동일 재질로 구성될 수 있다.
전극 탭은 하나의 전극조립체에서 복수개 구비될 수 있다. 예를 들어, 양극 탭은 양극판에 복수개 구비될 수 있고, 음극 탭은 음극판에 복수개 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 양극 탭은 하나의 양극 리드에 연결될 수 있고, 복수의 음극 탭은 하나의 음극 리드에 연결될 수 있다. 또한, 양극 탭과 음극 탭은 하나의 전극조립체에서 각각 한 개씩 구비될 수도 있다.
상기 양극 탭과 음극 탭은 전극조립체를 기준으로 서로 반대 방향으로 돌출될 수 있다. 전극 리드는, 얇은 판상의 금속으로서, 일단이 전극 탭에 부착되고, 타단, 즉 반대 단부가 파우치형 케이스 외부로 노출된다. 상기 전극 리드는 전극 탭의 상부 또는 하부에 부착될 수 있다. 양극 리드 및 음극 리드는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 상기 양극 리드는 양극판과 동일하게, 예컨대 알루미늄 재질이며, 음극 리드는 음극판과 동일하게, 예컨대 구리 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다.
상기 리드 필름은 절연성 및 열 융착성을 갖는 필름으로 이루어진다. 상기 리드 필름은 예를 들어 폴리이미드(PI: polyimide), 폴리프로필렌(PP: polyprophylene), 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: polyethylene terephthalate) 및 폴리비닐 클로라이드(PVC: polyvinyl chloride) 등으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질 층(단일 막 또는 다중 막)으로 이루어질 수 있다. 상기 리드 필름은 전극 리드와 파우치형 케이스의 금속층, 예컨대 알루미늄 시트 사이에서 단락이 발생하는 것을 방지할 뿐만 아니라 파우치형 케이스의 밀봉력을 향상시켜 전해액 등이 누출되는 것을 방지하는 역할을 한다.
도 1 및 2는 종래의 파우치형 이차전지의 전극 리드 부분의 단면도를 나타내며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극 리드 부분의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 종래의 파우치형 이차전지의 전극 리드(200)는 한 쌍의 리드 필름(300)이 부착되어 있으며, 파우치형 케이스(100)의 주변부위가 열융착되어 밀봉된다. 도 2를 참조하면, 일정 두께를 갖는 리드 필름으로 인하여, 파우치형 케이스(100)가 밀봉되지 않는 공간이 생기며, 과충전이나 내부 단락 등으로 이차전지가 팽창하는 경우, 가스나 전해액 등이 누출될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 한 쌍의 리드 필름(300)을 단차(A)를 갖도록 부착됨으로써, 종래의 파우치형 이차전지와 비교하여 밀봉되지 않는 부분을 감소시켜, 과충전/내부 단락 등에 대한 이차전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 단차는 상면 리드 필름과 하면 리드 필름의 폭을 달리함으로써 형성될 수 있으며, 바람직하게는 동일한 폭을 갖는 상면 리드 필름과 하면 리드 필름을 리드 필름들의 폭의 중심이 어긋나도록 부착함으로써 형성될 수 있다.
상기 단차는 상기 전극 리드의 폭의 0.01 내지 5%의 길이의 폭을 가질 수 있다. 상기 단차가 상기 전극 리드의 폭의 0.01%보다 작거나, 5%보다 큰 경우, 파우치형 케이스가 밀봉되지 않는 영역이 커지는 문제가 있다.
본 실시예에서 파우치형 케이스는, 폴리머 재질의 절연층과 접착층 사이에 알루미늄 박막이 개재된 알루미늄 파우치 형태로 구성될 수 있다. 폴리머 재질의 절연층은 기재 및 보호층의 역할을 할 수 있으며, 내부에 수용되는 전극조립체를 외부의 충격 등으로부터 1차적으로 보호하는 역할을 할 수 있다. 폴리머 재질의 절연층은 나일론, 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)와 같은 수지재로 형성될 수 있으나, 이와 같은 물질에 한정되는 것은 아니다. 알루미늄 박막은 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 침투를 방지하는 배리어층의 역할을 할 수 있다. 접착층은 열 융착층이라고도 하며, 열접착성을 가져 실링제 역할을 할 수 있다. 접착층은 폴리올레핀(Polyolepin) 계열의 수지 물질로 형성될 수 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다. 또한, 접착층은 폴리올레핀계 수지인 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체, 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질로 형성될 수 있으나, 이와 같은 물질에 한정되는 것은 아니다. 파우치형 케이스의 전체 두께는 통상 40 ~ 120㎛이며, 상기 절연층과, 접착층은 10 ~ 40㎛, 알루미늄 박막은 20 ~ 100㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
파우치형 케이스는, 상부 시트와 하부 시트로 이루어질 수 있다. 그리고, 전극조립체가 수납될 수 있는 공간은 상부 시트나 하부 시트 중 어느 하나, 또는 상부 시트나 하부 시트 모두에 형성될 수 있다. 한편, 상부 시트나 하부 시트의 수납 공간에 전극조립체가 수납되면, 상부 시트와 하부 시트가 열 융착 등에 의해 접착되어 밀봉된다.
본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 다수의 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리 팩의 일 구성요소가 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 팩과 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다.
상기 배터리 구동 시스템의 일예로는 전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거(E-Bike), 전동 공구(Power tool), 전력 저장 장치(Energy Storage System), 무정전 전원 장치(UPS), 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 휴대용 오디오 장치, 휴대용 비디오 장치 등이 될 수 있으며, 상기 부하의 일예로는 배터리 팩이 공급하는 전력에 의해 회전력을 제공하는 모터 또는 배터리 팩이 공급하는 전력을 각종 회로 부품이 필요로 하는 전력으로 변환하는 전력 변환 회로일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법은 양극 및 음극의 전극 리드가 연결된 전극조립체를 제공하는 단계; 상기 전극 리드에 한 쌍의 리드 필름을 단차가 생기도록 부착하는 단계; 및 상기 전극조립체를 파우치형 전지케이스 내부에 장착하고 상기 전극리드가 외부로 돌출되도록 상기 전지케이스의 외주부를 따라 상기 전지케이스의 상부 시트와 하부 시트를 접착시켜 밀봉하는 단계;를 포함한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시형태와 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.
100 : 파우치형 케이스
200 : 전극 리드
300 : 리드 필름

Claims (8)

  1. 양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 2개 이상의 양극탭 및 음극탭; 상기 2개 이상의 양극탭과 음극탭이 각각 전기적으로 접속된 양극 리드 및 음극 리드; 및 주변 부위에 형성된 열융착 라인에 의해 상기 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 전극조립체를 수용하는 파우치형 케이스;를 포함하는 파우치형 이차전지에 있어서,
    상기 양극 리드 및 음극 리드는 각각 상면 리드 필름과 하면 리드 필름으로 이루어진 한 쌍의 리드 필름이 부착되어 있으며, 상기 한쌍의 리드 필름의 양 끝 단부에 단차가 생기도록 접합되고,
    상기 리드 필름은 폴리이미드(PI: polyimide), 폴리프로필렌(PP: polyprophylene), 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: polyethylene terephthalate) 및 폴리비닐 클로라이드(PVC: polyvinyl chloride)로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 파우치형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상면 리드 필름과 상기 하면 리드 필름의 폭이 동일하며, 상기 리드 필름들의 폭의 중심이 어긋나도록 접합된 것을 특징으로 하는, 파우치형 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단차는 상기 양극 리드 및 음극 리드 각각의 폭의 0.01 내지 5%의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 파우치형 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리드 필름은 0.1 내지 2 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 파우치형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리드 필름은 절연성 필름인 것을 특징으로 하는, 파우치형 이차전지.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파우치형 케이스는 폴리머 재질의 절연층과 접착층 사이에 알루미늄 박막이 개재된 알루미늄 파우치 형태인 것을 특징으로 하는, 파우치형 이차전지.
  8. 양극 및 음극의 전극 리드가 연결된 전극조립체를 제공하는 단계;
    상기 전극 리드에 한 쌍의 리드 필름을 단차가 생기도록 부착하는 단계; 및
    상기 전극조립체를 파우치형 전지케이스 내부에 장착하고 상기 전극리드가 외부로 돌출되도록 상기 전지케이스의 외주부를 따라 상기 전지케이스의 상부 시트와 하부 시트를 접착시켜 밀봉하는 단계;를 포함하는 제1항에 기재된 파우치형 이차전지의 제조방법.
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