KR102373583B1 - 파우치형 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 파우치형 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극탭을 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 제1 면을 덮는 제1 외장재, 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 덮는 제2 외장재 및 상기 제1 면과 제2 면에 의해 정해지는 두께측 둘레면을 덮는 제3 외장재를 포함하는 외장부재;를 포함하고, 상기 전극탭은 상기 제1 외장재 및 상기 제2 외장재가 각각 상기 제3 외장재와 접합되는 접합부를 통해 돌출됨으로써, 에너지 밀도가 항샹될 수 있다.
Description
본 발명은 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
리튬 이온 이차전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 이차전지 및 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등으로 구분할 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 이차전지는 원통 또는 각 형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉될 수 있다. 이런 금속 캔이 용기로 사용되는 이차전지의 경우 그 형상이 고정되므로, 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인 및 소형화가 제약될 수 있다. 따라서 두 전극과 분리막, 전해질을 필름으로 만든 파우치에 넣고 밀봉하여 제조되는 파우치형 이차전지가 개발되고 있다.
통상적으로 사용되는 리튬 이온 폴리머 이차전지의 파우치는, 열 접착성을 가져 실링재 역할을 하는 열융착층, 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속층, 기재 및 보호층으로 작용하는 나일론층(Nylon Layer)이 적층된 다층막 구조가 포함될 수 있다.
파우치는 다층막 구조를 일정한 깊이로 포밍(Forming)한 외장재를 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 외장재는 외장재의 중앙 면이, 가장자리에 비해, 전극 조립체가 포함될 반대 방향으로 돌출되도록 포밍될 수 있다.
이러한 방식에 의해 이차전지가 제조되는 경우, 내장되는 전극 조립체의 부피가 제한될 수 있으며, 적정 부피를 초과하여 내장되어 이차전지가 제조되는 경우 파우치에 크랙 또는 찢어짐 현상이 발생될 수 있다. 이에 따라, 이러한 현상을 방지하기 위해 파우치에 수용되는 전극 조립체의 부피가 제한될 수 있고, 이차전지의 에너지 밀도도 제한될 수 있다.
이에 한국공개특허 제10-2014-0115846호는 파우치형 이차전지의 실링부를 하면 방향으로 90도 폴딩하여 고정하여, 실링부를 최소화하여 단위부피당 출력을 높일 수 있고, 또한 팩 사이즈를 줄일 수 있음으로써, 에너지 밀도를 향상할 수 있는 기술을 개시하고 있다.
그러나 이러한 기술에 의하더라도 여전히 파우치에 수용될 수 있는 전극 조립체의 부피에 한계가 있을 수 있고, 이러한 파우치형 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈 및 팩의 에너지 밀도 증가에 한계가 있을 수 있다.
본 발명은 에너지 밀도가 향상된 파우치형 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는 전극탭을 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 제1 면을 덮는 제1 외장재, 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 덮는 제2 외장재 및 상기 제1 면과 제2 면에 의해 정해지는 두께측 둘레면을 덮는 제3 외장재를 포함하는 외장부재;를 포함하고, 상기 전극탭은 상기 제1 외장재 및 상기 제2 외장재가 각각 상기 제3 외장재와 접합되는 접합부를 통해 돌출되는, 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 상기 제1 외장재 및 제2 외장재는 상기 제3 외장재와의 접합을 위해 상기 두께측 둘레면의 경계에서 상기 전극 조립체로부터 멀어지는 방향으로 꺽인, 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 상기 제3 외장재는 상기 전극 조립체의 두께 방향으로 연장되어 상기 제1 외장재 및 제2 외장재의 꺽인 부분과 접합되는, 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 상기 제1 외장재, 제2 외장재 및 제3 외장재는 각각 전극 조립체 측에서부터 열융착층, 금속층 및 외부보호층이 배치되는 다층구조를 포함하는, 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 상기 전극탭은 상기 제1 외장재와 상기 제3 외장재가 접합되는 제1 접합부를 통해 돌출되는, 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 상기 전극탭은 상기 제2 외장재와 상기 제3 외장재가 접합되는 제2 접합부를 통해 돌출되는, 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 상기 전극탭 중 하나는 상기 제1 외장재와 상기 제3 외장재가 접합되는 제1 접합부를 통해 돌출되고, 다른 하나는 상기 제2 외장재와 상기 제3 외장재가 접합되는 제2 접합부를 통해 돌출되는, 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 향상된 에너지 밀도를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 두께측 둘레면에 별도의 외장재를 구비하여, 전극 조립체의 두께가 증가하여도 파우치의 크랙 또는 찢어짐 현상이 발생할 가능성을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 전극탭의 기본적인 돌출 방향이 전지의 두께 방향이므로, 전지 모듈에 따라 보다 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 개략적인 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 개략적인 종단면도이다.
본 발명의 일 실시형태는 전극탭을 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 제1 면을 덮는 제1 외장재, 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 덮는 제2 외장재 및 상기 제1 면과 제2 면에 의해 정해지는 두께측 둘레면을 덮는 제3 외장재를 포함하는 외장부재;를 포함하고, 상기 전극탭은 상기 제1 외장재 및 상기 제2 외장재가 각각 상기 제3 외장재와 접합되는 접합부를 통해 돌출됨으로써, 향상된 에너지 밀도를 제공할 수 있는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 외장부재가 그 내부에 전극 조립체(30)를 수용하고 밀봉됨으로써, 파우치형 이차전지가 형성될 수 있다.
외장부재
본 발명의 외장부재는 제1 외장재(10), 제2 외장재(12) 및 제3 외장재(14)를 포함할 수 있으며, 전극 조립체(30)를 수용하는 외장부재는 전극 조립체(30)를 외부에서 둘러싸는 형태로 포함될 수 있다. 상기 전극 조립체(30)는 제1 면, 제2 면 및 두께측 둘레면으로 외형이 형성될 수 있으며, 제1 면 및 제2 면은 대향될 수 있다.
상기 제1 면 및 제2 면은 전극 조립체(30)의 특정 면으로 제한 없이 설정될 수 있으며, 전극 조립체(30)의 두께측 둘레면은 상기 제1 면과 제2 면의 사이 면들로 설정될 수 있다.
본 발명의 제1 외장재(10) 및 제2 외장재(12)는 각각 제1 면 및 제2 면을 덮으며, 전극탭(32)을 포함하는 전극 조립체(30)를 사이에 두고 대향되며, 전극 조립체(30)와 가까운 쪽에 열융착층을 포함하여 각각 전극 조립체(30)의 두께측 둘레면을 덮는 제3 외장재(14)와 접합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 외장재(10) 및 제2 외장재(12)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제3 외장재(14)와의 접합을 위해 상기 두께측 둘레면의 경계에서 상기 전극 조립체(30)로부터 멀어지는 방향으로 꺽일 수 있다. 이는 외장재가 열융착층이 포함되는 측의 반대 방향으로 휘어짐으로써 형성될 수 있다.
이를 통해 제3 외장재(14)가 전극 조립체(30)의 두께측 둘레면을 덮으면서 전극 조립체(30)를 수용하기 용이하도록 할 수 있다. 본 발명은 전극 조립체(30)의 제1 면과 제2 면에 의해 정해지는 두께측 둘레면에 별도의 외장재를 구비함으로써, 전극 조립체(30)가 두꺼워지더라도 외장부재에 크랙 또는 찢어짐 현상이 발생할 가능성이 현저히 감소될 수 있다.
한편, 본 발명의 각 외장재는 복수의 층으로 형성될 수 있고, 파우치형 이차전지 제조에 쓰이는 외장재이면 당 분야에 공지된 외장재가 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 열융착층, 금속층, 외부보호층 등이 적층되어 형성될 수 있다.
<외부보호층>
본 발명에 따른 외부보호층은 금속층의 손상과 부식 등을 방지하며, 금속층이 외부와 전기적으로 연결되는 것을 방지할 수 있다. 이차 전지는 전극 조립체(30)의 전극탭(32)을 통해서만 외부와 전기적으로 연결되어야 하며, 금속층이 직접 전기적으로 연결될 경우 이차 전지의 안전성이 저해될 수 있다. 특히, 전극 조립체(30)의 전극탭(32)이 상기 금속층을 통해서 단락될 경우 이차 전지가 폭발할 수 있다.
상기 외부보호층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조 또는 2개 이상의 물질로 이루어진 복합막 구조를 가질 수 있다.
폴리에틸렌테레프탈레이트, 나일론이 보다 바람직하며, 상기 나일론 층은 이축 연신된 나일론층 일 수 있고 외부보호층의 총 두께는 20㎛ 내지 30㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 외부보호층이 2개 이상의 층으로 이루어진 복합막 구조일 경우 각 층은 접착층을 통해 결합될 수 있고, 상기 접착층의 재료는 당업계에서 쓰이는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 두께는 3㎛ 이내인 것이 바람직하다.
<금속층>
본 발명에 따른 금속층은 외부의 수분, 가스 등이 전극 조립체(30) 측으로 침투하는 것을 방지할 수 있으며, 외장부재의 기계적 강도 향상과 함께 외장부재에 주입된 화학 물질이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
상기 금속층의 재질은 철, 탄소, 크롬, 망간, 니켈, 및 알루미늄 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있으며, 예를 들어 철, 탄소, 크롬 및 망간의 합금, 철, 크롬 및 니켈의 합금, 알루미늄 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 금속층을 철이 함유된 재질로 할 경우 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아지나, 본 발명에서는 알루미늄이 보다 바람직하다.
본 발명에 따른 금속층의 두께는 특별히 제한되지는 않지만 바람직하게는 30㎛ 내지 50㎛일 수 있고, 보다 바람직하게는 35㎛ 내지 45㎛일 수 있다.
상기 금속층은 본 발명의 외장부재를 구성하는 다른 층, 구체적으로 외부보호층, 발열층 또는 열융착층과 접착층을 통하여 결합될 수 있고, 상기 접착층의 재료는 당업계에서 쓰이는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 두께는 3㎛ 이내인 것이 바람직하다.
<열융착층>
본 발명에 따른 열융착층은 이차 전지의 제조 과정 중 외장부재 필름을 실링하는 공정의 진행 과정에서 외장부재 필름의 주변부에 가하는 열에 의해 용융된다. 이에 따라, 각 외장재 필름의 열융착층이 서로 융착되어 제1 외장재(10) 및 제3 외장재(14), 제2 외장재(12) 및 제3 외장재(14)가 접합될 수 있다.
상기 열융착층은 상기 외부보호층과 마찬가지로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조 또는 2개 이상의 물질로 이루어진 복합막 구조를 가질 수 있다.
이 중에서 폴리프로필렌이 바람직하고, 폴리프로필렌은 호모 폴리프로필렌과 변성 폴리프로필렌을 적층한 구조로 사용될 수 있다. 열융착층의 총 두께는 특별히 제한되지는 않지만 바람직하게는 60㎛ 내지 100㎛일 수 있으며, 70㎛ 내지 90㎛인 것이 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 열융착층이 2개 이상의 층으로 이루어진 복합막 구조일 경우 각 층은 접착층을 통해 결합될 수 있고, 상기 접착층의 재료는 당업계에서 쓰이는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 두께는 3㎛ 이내인 것이 바람직하다.
이와 같이 제조된 본 발명의 외장부재는 발열층을 포함하여 저온 환경에서도 전지의 수명 및 출력을 개선할 수도 있다. 발열층을 구비한 외장부재의 총 두께는 특별히 제한되지는 않지만 160㎛ 내지 200㎛일 수 있다.
전극 조립체(30)
본 발명에 따른 전극 조립체(30)는 이차 전지에 적용되는 통상적인 구조로서, 양극판, 음극판, 이들을 절연하기 위해 양극판과 음극판 사이에 개재된 분리막 및 양극판 및 음극판 각각에 전기적으로 연결된 전극탭(32)을 포함할 수 있다.
이들은 양극판, 분리막, 음극판이 순차로 배치되어 일 방향으로 와인딩 되거나, 다수장의 양극판, 분리막, 음극판이 반복적으로 적층된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극판 및 음극판에는 각각 양극 활물질과 음극 활물질이 코팅될 수 있다.
상기 양극 활물질은 당 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명이 리튬 이차 전지인 경우, 상기 양극 활물질은 리튬 계열의 활물질이며, 구체적으로는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 리튬 망간 복합 산화물; 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질은 당 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면, 특별히 한정되지 않으나, 구체적으로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬과 다른 원소의 합금, 규소 또는 주석 등이 사용될 수 있다. 비결정질 탄소로는 하드카본, 코크스, 1500℃ 이하에서 소성한 메조카본 마이크로비드(mesocarbon microbead: MCMB), 메조페이스피치계 탄소섬유(mesophase pitch-based carbon fiber: MPCF) 등이 있다. 결정질 탄소로는 흑연계 재료가 있으며, 구체적으로는 천연흑연, 흑연화 코크스, 흑연화 MCMB, 흑연화 MPCF 등이 있다. 리튬과 합금을 이루는 다른 원소로는 알루미늄, 아연, 비스무스, 카드뮴, 안티몬, 실리콘, 납, 주석, 갈륨 또는 인듐이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 분리막은 소재는 절연 물질이라면 특별히 한정되지 않으며, 양극과 음극 사이에 이온이 통화할 수 있도록 다공성 막으로 구성되는 것이 바람직하며, 예를 들면, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 구체적으로 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 바람직하게는, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoridehexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 필름일 수 있다.
<전극탭(32)>
본 발명의 전극 조립체(30)는 전극탭(32)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극탭(32)은 제1 외장재(10)와 제3 외장재(14)가 접합되는 제1 접합부 및 제2 외장재(12)와 제3 외장재(14)가 접합되는 제2 접합부 중 적어도 하나를 통해 외장부재의 외부로 돌출될 수 있다. 따라서, 경우에 따라 제1 또는 제2 접합부를 통해 두 전극탭(32)이 모두 돌출되도록 설정될 수도 있고, 제1 및 제2 접합부 각각을 통해 전극탭(32)이 하나씩 돌출되도록 설정될 수도 있다. 따라서, 파우치형 이차전지의 용도, 파우치형 이차전지가 적용되는 대상 제품의 구조 등에 따라 전극탭(32)이 돌출되는 방향이 자유로이 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는 다수 결합되어 전지 팩으로 사용될 수 있다. 상기 전지 팩은 파워 툴(Power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등의 전기차; 이-바이크(E-bike) 또는 이-스쿠터(Escooter) 등의 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차 등의 중대형 디바이스 전원으로 사용될 수 있다.
10 : 제1 외장재
12 : 제2 외장재
14 : 제3 외장재
30 : 전극 조립체
32 : 전극탭
12 : 제2 외장재
14 : 제3 외장재
30 : 전극 조립체
32 : 전극탭
Claims (7)
- 전극탭을 포함하는 전극 조립체; 및
상기 전극 조립체의 두께 방향으로의 제1 면을 덮는 제1 외장재, 상기 제1 면과 상기 두께 방향으로 대향하는 제2 면을 덮는 제2 외장재 및 상기 제1 면과 제2 면에 의해 정해지는 두께측 둘레면을 덮는 제3 외장재를 포함하는 외장부재를 포함하고,
상기 전극탭은 상기 제1 외장재 및 상기 제2 외장재가 각각 상기 제3 외장재와 접합되는 접합부를 통해 돌출되며 상기 두께 방향으로 연장하는, 파우치형 이차전지. - 청구항 1에 있어서, 상기 제1 외장재 및 제2 외장재는 상기 제3 외장재와의 접합을 위해 상기 두께측 둘레면의 경계에서 상기 전극 조립체로부터 멀어지는 방향으로 꺽인, 파우치형 이차전지.
- 청구항 2에 있어서, 상기 제3 외장재는 상기 전극 조립체의 두께 방향으로 연장되어 상기 제1 외장재 및 제2 외장재의 꺽인 부분과 접합되는, 파우치형 이차전지.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제1 외장재, 제2 외장재 및 제3 외장재는 각각 전극 조립체 측에서부터 열융착층, 금속층 및 외부보호층이 배치되는 다층구조를 포함하는, 파우치형 이차전지.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전극탭은 상기 제1 외장재와 상기 제3 외장재가 접합되는 제1 접합부를 통해 돌출되는, 파우치형 이차전지.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전극탭은 상기 제2 외장재와 상기 제3 외장재가 접합되는 제2 접합부를 통해 돌출되는, 파우치형 이차전지.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전극탭 중 하나는 상기 제1 외장재와 상기 제3 외장재가 접합되는 제1 접합부를 통해 돌출되고, 다른 하나는 상기 제2 외장재와 상기 제3 외장재가 접합되는 제2 접합부를 통해 돌출되는, 파우치형 이차전지.
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