KR20080019551A - 일방향 배출 밸브를 포함하고 있는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중, 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스를 외부로 배출하지만 외부의 가스가 전지셀 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 얇은 두께의 밸브('일방향 배출 밸브')가 적어도 한 개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공하는 바, 이러한 이차전지는 전지케이스의 밀봉성을 유지하면서, 과충전 등과 같은 전지의 비정상 작동에 의한 고압의 내부 가스를 효과적으로 배출함으로써, 궁극적으로 우수한 성능 및 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

일방향 배출 밸브를 포함하고 있는 이차전지 {Secondary Battery Including One-way Exhaust Valve}
본 발명은 일방향 배출 밸브를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중, 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스를 외부로 배출하지만 외부의 가스가 전지셀 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 얇은 두께의 밸브가 적어도 한 개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치 형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 그 중에서도 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 이차전지는, 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있는 파우치형 전지케이스 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 분리막으로 이루어진 전극조립체를 장착한 상태에서, 상기 케이스의 외주면을 따라 형성되어 있는 실링부를 열융착하여 밀봉하는 것으로 제조된다.
상기 실링부는 전극조립체의 외면을 감싸는 전지케이스가 상호 접하여 열융착되는 부위로서, 전지의 정상적인 작동 조건에서 외부의 공기 등이 유입되는 것을 방지할 수 있는 밀봉성을 나타내야 한다. 또한, 상기 실링부는, 장기간의 계속적인 충방전과 고온의 인가 등의 비정상적인 작동 조건에서 전지의 내부에 고압이 발생하였을 경우, 밀봉성이 해제되면서 내부의 가스를 배출할 수 있어야 하므로, 전지의 성능은 물론 안전성 측면에서 매우 중요한 역할을 한다. 하지만, 밀봉 기능과 가스 배출 기능은 상호 반대적인 작용기전으로 진행되므로, 이들 모두를 효과적으로 달성하기는 용이하지 않다.
따라서, 판상형 이차전지에서 밀봉성을 유지하면서 내부의 가압 가스를 외부로 배출하는 구조가 제안된 적은 없으며, 단지 내부의 고압 발생시 실링부가 해제 되는 구조만이 제한적으로 제시되고 있을 뿐이다.
그러한 예로서, 일본 특허출원공개 제2005-116235호는 전극조립체를 내장한 라미네이트 필름의 외주부를 열융착하여 밀봉하는 전지에서 소정의 가스 방출 기구를 형성하는 기술을 개시하고 있다. 상기 기술은 열융착시 실링부의 일부에 미융착부를 형성함으로써 내부 가스의 응력이 미융착부에 집중되도록 하는 방법과, 라미네이트 필름에서, 최내층에 위치하는 실층을 변형하여 타 부위보다 열융착에 의한 접착 강도를 낮게 구성하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 본 출원의 발명자들이 수행한 실험에 따르면, 상기 기술은 가스 방출 기구가 형성된 실링부의 접착력이 약하므로, 정상적인 작동 상태에서도 상기 부분을 통해 전지셀 내부로의 수분 침투 및 전해액의 누액이 지속적으로 발생하여 전지의 안전성에 심각한 문제가 있음을 확인하였다. 이러한 문제점으로 인해 미융착부의 크기와 접착 강도의 크기를 특정한 범위로 정밀하게 제어하여야 한다는 점을 고려할 때, 상기 기술은 가스의 배출이 요구되는 고압 조건에서 해당 부위가 신뢰성 있게 작동하기 어렵다는 근본적인 문제점을 가지고 있다.
한편, 일본 특허등록 제3,638,765호는 판상형의 전극조립체를 외장 부재에 수납하고 외장 부재의 외주부를 열융착 내지 접착제층을 통해 밀봉한 전지에서, 외주부의 일측에 외장 부재에 비해 열안전성이 높은 재질의 고분자 수지 시트를 삽입한 상태에서 밀봉함으로써, 밀봉된 부분의 일측이 다른 부분에 비해 저하된 내압 성능을 갖도록 구성하는 기술을 개시하고 있다. 또한, 일본 특허출원공개 제2001-093489호는 전극조립체를 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장함과 동시 에 양극판 및 음극판에 접속된 양극 및 음극 리드를 외장 케이스의 실링부로부터 외부로 인출한 전지에서, 외장 케이스의 실링부의 일부에는 라미네이트 시트보다 융점이 낮은 열융착 수지 시트를 삽입한 상태에서 열융착을 행하는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 상기 기술들 역시 밀봉성과 작동 신뢰성을 담보하기 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
한편, 판상형 이차전지는 아니지만, 몇몇 디바이스들에서 가스를 한쪽 방향으로 배출 하는 기술들이 일부 알려져 있다. 예를 들어, 미국 등록특허 제5004655호에는, 전지 수납부의 둘레에 스페이서를 포함하고 있는 납축전지로서, 상기 스페이서의 일측에는 개구부가 구비되어 있고, 상기 개구부에는 실리콘 오일 등이 도포되어 있어, 외부로부터 수분 등의 침투를 방지하면서 내부로부터 가스가 일방향 배출되는 구조의 납축전지가 개시되어 있고, 일본 특허출원공개 제2003-037028호에는, 금속박과 플라스틱 필름이 적층되어 있는 구조로 이루어진 외장 케이스를 포함하는 콘덴서로서, 상기 외장 케이스의 내측에 오일 실 구조의 가스 방출변을 설치함과 동시에, 상기 외장 케이스에는, 상기 가스 방출 변으로부터 외부에 가스를 방출시키기 위한 핀 홀을 형성한 구조의 콘덴서가 개시되어 있다.
이들 기술에서의 일방향 가스 배출 구조는 내부로 유입되는 수분의 영향이 심각하게 대두되지 않는 디바이스들에서 가능한 구조이고, 더욱이 판상형 이차전지에 적용하기에는 구조적으로 적절하지 않다. 결과적으로, 판상형 이차전지에서 가스의 일방향 배출 구조를 적용하고자 하는 시도는 전혀 행해진 바가 없다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지에서, 전지케이스의 외주면 실링부에 전지셀 내부의 고압 가스를 외부로 배출하지만 외부의 가스가 전지셀 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 얇은 두께의 일방향 배출 밸브를 설치할 경우, 전지케이스의 밀봉성을 유지하면서, 과충전 등과 같은 전지의 비정상 작동에 의한 고압의 내부 가스를 효과적으로 배출함으로써, 궁극적으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하였고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중, 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스를 외부로 배출하지만 외부의 가스가 전지셀 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 얇은 두께의 밸브('일방향 배출 밸브')가 적어도 한 개 설치되어 있는 것으로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지는 일방향 배출 밸브가 실링부에 설치되어 있어서, 비정상적인 작동 조건에서 전지 내부에 고압 가스가 발생되면 즉시 밸브를 통해 배출될 수 있으므로 내부의 고압 가스로 인한 전지의 성능 저하를 최소화할 수 있다.
한편, 앞서 살펴본 바와 같이 종래에는 일반적으로 전지 내부의 가스를 방출하기 위해 판상형 전지케이스의 외주면 실링부의 일부를 절취하거나 실링부의 일부에 미융착 부위를 형성하였으나, 이 경우 전해액의 누액이 발생하거나 전지 외부의 수분 등이 침투하여 전지의 성능 저하를 유발하는 문제가 있었다. 또한, 전지 내부 가스의 배출을 위해 실링부가 분리된 후에는 전지의 재사용이 불가능하다는 단점이 있었다.
반면에, 본 발명에 따른 이차전지에서 상기 일방향 배출 밸브는 정상적인 작동 조건에서는 외부의 가스나 수분 등이 전지셀 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 구조를 가지고 있고, 종래 단회성 가스 배출 기구와 달리 경우에 따라 고압 가스의 배출 이후에도 외부 가스나 수분의 유입이 여전히 방지될 수 있어서 재차 밀봉성이 유지될 수 있으므로 전지의 계속적 사용이 가능할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 일방향 배출 밸브의 위치에 의해 가스의 배출 위치를 용이하게 조절할 수 있으므로, 유해한 가스의 무분별한 배출로 인해 유발될 수 있는 문제점을 해결할 수 있다.
상기 전지케이스는 바람직하게는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시 트, 특히 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다. 이러한 파우치형 케이스는 외주면 실링부를 열융착함으로써 내부에 장착되는 전극조립체를 밀봉할 수 있다.
상기 전극조립체는 양극과 음극 및 그 사이에 개재되어 있는 분리막으로 이루어진 구조라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
본 발명에서의 상기 일방향 배출 밸브는 판상형 이차전지의 실링부에 적용하더라도 전지의 전반적인 두께를 증가시키지 않으면서, 전지셀 내부의 고압 가스를 외부로 배출하지만 외부의 가스가 전지셀 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 구조라면, 어떠한 구조도 적용 가능하다.
하나의 바람직한 예에서, 일방향 배출 밸브는,
(a) 실링부에 접착되는 제 1 필름;
(b) 상단부를 제외한 외주면이 상기 제 1 필름에 접촉되어 있고, 상단 높이가 제 1 필름의 상단보다 낮은 다공성 필름;
(c) 상단부를 제외한 외주면이 상기 다공성 필름에 결합되어 있고, 하단부가 다공성 필름의 하단으로부터 소정의 폭으로 이격된 위치에서 결합되어 있으며, 상단의 높이가 다공성 필름의 상단보다 높고, 다공성 필름보다 유연한 소재 내지 얇은 두께를 가진 가변 필름; 및
(d) 상기 제 1 필름의 대향 측에서 실링부에 접착되고, 상단부를 제외한 외주면이 상기 가변 필름의 하단에 결합되어 있는 제 2 필름;
을 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 일방향 배출 밸브는, 그것의 제 1 필름 및 제 2 필름에 의해 전지케이스의 실링부에 안정적으로 결합되어 전지의 밀봉성을 유지할 수 있고, 그것의 하단부에서 상기 제 1 필름에 접촉되어 최외각을 이루는 다공성 필름에 의해 가스 이외의 물질의 출입을 방지하면서, 그것의 상단부에서 상호 분리되어 있는 필름들에 의한 상단부를 통하여 전지의 내부 가스를 효과적으로 배출할 수 있다.
본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여, 전지케이스의 실링부를 기준으로 전지의 외부에 인접한 밸브의 단부를 상단부로 표현하였고, 전지의 내부에 인접한 밸브의 단부를 하단부로 표현하였다.
경우에 따라서는, 상기 일방향 배출 밸브는, 그것의 상단부에서 상기 가변 필름의 구조에 따라 개폐 여부가 결정될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 가변 필름은, 전지의 정상 작동시 상기 제 1 필름에 결합되어 있는 것으로 상단부를 밀폐할 수 있고, 전지의 비정상 작동에 따른 내부 압력 증가시 상기 제 1 필름으로부터 분리되면서 상단부를 개방할 수 있다.
또한, 이러한 상단부 개방으로 가스 배출이 이루어져 전지의 내부 압력이 정상 상태로 재차 감소하게 되어 외부 압력과 동등하게 되면, 상기 가변 필름은 다시 상기 제 1 필름에 접촉함으로써 전지의 밀봉 상태를 유지할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
이를 위한 하나의 바람직한 예에서, 상기 가변 필름은 탄성 소재로 이루어져 있고, 상단 단부가 제 1 필름 방향으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 가스 배출 후 가변 필름은 회복력에 의하여 재차 절곡 상태를 유지하기 위해 상기 제 1 필름에 접촉될 수 있다.
이때, 상기 가변 필름은 배출 밸브의 상단에서 상기 다공성 필름의 상단보다 크게 구성되어 있고, 배출 밸브의 하단에서 상기 다공성 필름의 하단보다 작게 구성되어 있으므로, 궁극적으로, 전지의 정상 작동시, 상기 일방향 배출 밸브는 그것의 하단부가 상기 다공성 필름으로 이루어져 있고, 그것의 상단부가 상기 가변 필름으로 감싸여 있는 구조일 수 있다.
상기의 바람직한 예에서, 상기 배출 밸브는, 그것의 상단 개구가 전지셀 외부와 연통될 수 있도록 전지케이스의 실링부에 설치되어 있을 수 있다. 즉, 일방향 배출 밸브는, 그것의 상단 개구가 전지셀 외부와 연통될 수 있도록 상기 실링부의 외단부에 접하고, 상기 다공성 필름으로 이루어진 그것의 하단부가 전지셀 내부와 연통될 수 있도록 상기 실링부의 내단부에 접하는 구조로 장착될 수 있다. 이 경우, 상기 상단 개구는 제 1 필름과 접촉하고 있는 가변 필름에 의하여 밀폐되어 있을 수 있다.
또한, 상기 배출 밸브는 전지케이스의 밀봉성을 더욱 향상시킬 수 있도록 바람직하게는 제 1 필름과 제 2 필름이 상호 접촉하고 있는 구조로 밀폐되어 있을 수도 있다. 상기 제 1 필름과 제 2 필름의 상호 접촉 구조는 예를 들어, 상기 제 1 필름과 제 2 필름이 소정의 탄성력 내지 변형에 대해 회복력을 갖는 소재로 이루어 져 있고, 상기 제 1 필름의 상단 단부가 제 2 필름의 상단 단부 방향으로 절곡된 구조이거나, 이와 반대로 제 2 필름의 상단이 제 1 필름의 상단 단부 방향으로 절곡된 구조일 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 제 1 필름의 상단은 실링부의 단부와 동일한 높이가 되도록 형성되거나 실링부 단면에 대하여 수직 방향으로 절곡된 구조로 이루어져 있고, 상기 제 2 필름은 상기 제 1 필름 또는 실링부의 수직 단면에 접촉할 수 있도록 그것의 상단이 절곡된 구조일 수 있다. 이 경우, 가스 배출 기구의 단부가 외부로 돌출되지 않으므로 취급이 용이할 수 있다.
따라서, 전지의 비정상 작동에 의해 내부 압력이 증가되었을 경우, 상기 배출 밸브의 상단부에서는, 상호 접촉되어 있는 상기 가변 필름과 제 1 필름, 및 상기 제 1 필름과 제 2 필름이 순차적으로 분리됨으로써, 내부 가스를 배출할 수 있다. 또한, 상기 가스가 배출된 후에는 제 1 필름과 제 2 필름의 접촉 상태가 다시 유지됨으로써 전지 외부의 가스나 수분이 전지 내부로 유입되는 것이 방지될 수 있으므로 전지의 재사용이 가능할 수 있다.
또한, 상기의 바람직한 예에서, 일방향 배출 밸브는, 그것의 상단 개구가 소정의 폭으로 이루어진 실링부에 의해 밀폐되어 있을 수도 있다. 즉, 일방향 배출 밸브는, 그것의 상단 개구가 실링부 내부에 위치할 수 있도록 상기 실링부 외단부로부터 소정의 폭으로 이격되어 있고, 상기 다공성 필름으로 이루어진 그것의 하단부가 전지셀 내부와 연통될 수 있도록 실링부의 내단부에 접하는 구조로 장착될 수 있다.
이 경우, 일방향 배출 밸브의 상기 상단 개구는, 제 1 필름에 부착되어 있는 가변 필름에 의하여 밀폐되어 있을 수 있으며, 전극조립체를 밀봉하는 실링부에 의해 밀폐되어 있을 수도 있다. 따라서, 전지의 비정상 작동에 의해 내부 압력이 증가되었을 경우, 상기 배출 밸브의 상단에서는, 상호 결합되어 있는 가변 필름과 제 1 필름 및 실링부가 순차적으로 분리됨으로써, 내부 가스를 배출할 수 있다. 이러한 구조는 특히 정상적인 작동 조건에서의 전지 밀봉성을 담보하는데 바람직하며, 전지의 내부에서 상당한 정도의 압력이 발생한 경우에만 가스가 배출되도록 할 수 있다.
여기서, 상기 상단 개구를 밀폐하는 실링부의 폭은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 정상적인 작동 조건에서의 밀봉성 담보 및 전지의 안전성 측면에서 허용되는 가스의 압력 등을 고려할 때, 실링부의 전체 폭을 기준으로 10 내지 60%인 것이 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 다공성 필름은 기액 분리막의 형태로 이루어져 있어서, 액상성분의 전해액이 통과하는 것을 최대한 억제하면서 기상성분의 가스만이 통과하도록 구성할 수 있다.
본 발명에서, 상기 전지는 전극조립체를 전지케이스에 내장한 상태에서 리튬 함유 전해액을 함침시켜 제조되는 리튬 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기의 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩을 제공한다. 전지자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 사용되는 중대형 전지팩은 장기간의 작동 수명이 요구되고, 특히 안전성 확보가 필요하 므로, 단위전지의 내부에서 발생한 가스로 인해 열화가 촉진되어 전지의 수명이 감소되거나, 일부 단위전지에서 유발된 비정상적인 작동 상태는 전체 전지팩의 안전성을 크게 훼손시킬 수 있으므로, 상기와 같은 일방향 가스 배출 구조가 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 리튬 이차전지와 중대형 전지팩의 일반적인 구조 및 그것의 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 이차전지는 일반적으로 사용되는 종래의 파우치형 이차전지와 대략 동일하므로, 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들에 대한 설명은 생략한다.
도 1을 참조하면, 이차전지(100)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스(110)의 전극조립체 수납부(120) 외주면을 따라 실링부(130)가 형성되어 있고, 그러한 실링부(130) 상에 일방향 배출 밸브(200)가 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
일방향 배출 밸브(200)는 이차전지(100)의 비정상 작동시 외부의 가스가 전지셀 내부로 유입되는 것을 방지하면서, 내부에서 발생하는 고압의 가스를 외부로 배출할 수 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 구조는 이차전지(100)가 정상 작동에서 비정상 작동으로 전환되는 순간, 밸브의 작동 상태가 모식적으로 도시되어 있는 도 2 및 3에서 더욱 용이하게 확인할 수 있다.
이들 도면을 참조하면, 일방향 배출 밸브(200)는 제 1 필름(210), 다공성 필름(220), 가변 필름(230) 및 제 2 필름(240)이 특정한 적층 형태로 얇은 두께의 구조를 형성하고 있다.
제 1 필름(210)은 전지의 실링부(130)에 직접 접착되어 있다.
다공성 필름(220)은 상단 개구(250)를 제외한 외주면이 제 1 필름(210)에 결합되어 있고, 그것의 상단 높이가 제 1 필름(210)의 상단보다 낮게 형성되어 있다.
가변 필름(230)은 상단 개구(250)를 제외한 외주면이 다공성 필름(220)에 결합되어 있고, 하단부가 다공성 필름(220)의 하단으로부터 소정의 폭으로 이격된 위치(점선원 A)에서 결합되어 있으며, 상단의 높이가 다공성 필름(220)의 상단보다 높게 형성되어 있다.
제 2 필름(240)은 제 1 필름(210)의 대향 측에서 전지의 실링부(130)에 접착되어 있고, 상단 개구(250)를 제외한 외주면이 가변 필름(230)의 하단에 결합되어 있다.
이러한 가스 배출 밸브(200)는 전지의 정상 작동 조건에서, 도 2에서와 같이, 상단 개구(250)가 제 1 필름(210)에 부착되어 있는 가변 필름(230)에 의해 밀 폐된다. 반면에, 전지의 비정상 작동 조건에 따른 내부 압력 증가시, 도 3에서와 같이, 가변 필름(230)이 제 1 필름(210)으로부터 분리되어 개방된다. 따라서, 일방향 배출 밸브(200)는 전지의 정상 작동 중에는 상단 개구(250)를 밀폐하는 가변 필름(230)에 의해 외부 가스의 유입을 방지하지만, 전지가 비정상적인 작동 상태로 변환되면, 내부 압력의 증가에 따라 가변 필름(230)이 제 1 필름(210)으로부터 분리되면서 내부 가스를 효과적으로 배출할 수 있다.
일방향 배출 밸브(200)는 상단 개구(250)가 전지셀 외부와 연통되도록 실링부(130)의 외단부에 인접하도록 장착될 수 있지만, 도 4에서와 같이, 상단 개구(250)가 실링부(130) 내에 위치하도록 장착될 수도 있다.
도 2 및 3에서와 같이, 상단 개구(250)가 실링부(130)의 외단부에 접해 있을 경우, 일방향 배출 밸브(200)는 상단 개구(250)에서 상호 결합되어 있는 제 1 필름(210)과 가변 필름(230) 및 제 1 필름(210)과 제 2 필름(240)에 의하여 밀폐되어 외부물질의 유입을 방지하다가 내부 압력의 증가시 필름들(210, 230; 210, 240)이 상호 분리되면서 내부 가스를 배출할 수 있다.
도 4에서와 같이, 상단 개구(250)가 실링부(130) 내에 위치하여 있을 경우, 일방향 배출 밸브(200)는 상호 결합되어 있는 제 1 필름(210)과 가변 필름(230) 및 소정의 폭(x)으로 이루어진 실링부(130)에 의하여 밀폐되어 외부물질의 유입을 방지하다가, 내부 압력의 증가시 필름들(210, 230) 및 실링부(130)가 상호 분리되면서 내부 가스를 배출할 수 있다. 따라서, 실링부(130)는 상호 반대적인 작용기전으로 진행되는 밀봉 기능과 가스 배출 기능을 동시에 수행할 수 있다.
또한, 일방향 배출 밸브(200)는 상단 개구(250)에 대향하고 다공성 필름(220)이 최외각을 이루는 하단부가 전지셀의 내부에 위치하도록 장착된다. 따라서, 전지의 비정상 작동시 전지셀 내부에서 발생되는 다량의 가스는 다공성 필름(220)을 통하여 외부로 배출될 수 있지만, 가스를 제외한 나머지 물질은 배출될 수 없다.
도 5 및 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 배출 밸브로서, 이차전지가 정상 작동에서 비정상 작동으로 전환하는 순간 실링부에 설치되어 있는 배출 밸브의 구동 상태가 모식적으로 도시되어 있다. 또한, 도 7에는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가스 배출 밸브로서, 이차전지가 비정상 작동시 가스가 배출되는 상태에서의 배출 밸브의 구동 상태가 모식적으로 도시되어 있다. 참고로, 도 5 및 도 6에 따른 가스 배출 밸브에서 상단부의 접촉 상태를 제외한 다른 구성 요소들에 대해서는 도 2 및 도 3에서와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 이하에서 생략한다.
먼저 도 5 및 6을 참조하면, 가스 배출 밸브(201)에서 제 2 필름(241)은 제 1 필름(211)의 방향으로 탄력적으로 절곡됨으로써, 그것의 단부가 제 1 필름(211)의 단부와 서로 접촉된 상태로 형성되어 있어서, 가스 배출 밸브의 상단부가 밀봉된 구조를 이룬다. 따라서, 전지의 비정상 작동 조건에 따른 내부 압력 증가시에는 도 6에서와 같이 가변 필름(231)을 통과한 가스가 제 1 필름(211)과 제 2 필름(241)의 접촉 상태를 분리시키면서 배출된다. 반면에, 가스 배출 밸브(201)는 전지의 정상 작동 조건 또는 비정상 작동 조건에서의 가스 배출 이후에는 도 5에서 와 같이, 제 2 필름(241)의 회복력에 의해 제 1 필름(211)과 접촉됨으로써 상단부(251)가 밀폐된다.
도 7을 참조하면, 가스 배출 밸브(202)에서 제 1 필름(212)은 실링부의 수직 단면 방향으로 절곡되어 밀착되어 있고, 제 2 필름(242)은 제 1 필름(212)의 방향으로 탄력적으로 절곡됨으로써 단부가 제 1 필름(211)의 단부와 서로 접촉된 상태로 형성되어 있다. 따라서, 전지의 비정상 작동 조건에서 가변 필름(232)을 통과한 가스가 제 1 필름(212)과 제 2 필름(242)의 접촉 상태를 분리시키면서 배출되고, 가스 배출이 완료된 후에는 제 2 필름(242)이 재차 제 1 필름(212)과 접촉하게 된다. 이러한 구조의 가스 배출 밸브(202)는 상단부(252)가 돌출되지 않으므로 취급이 용이하다는 장점이 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전지케이스의 밀봉성을 유지하면서, 과충전 등과 같은 전지의 비정상 작동에 의한 고압의 내부 가스를 효과적으로 배출함으로써, 궁극적으로 우수한 성능 및 안전성을 동시에 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 평면도이다;
도 2 및 3은 제 1 실시예에 따른 가스 배출 밸브로서, 이차전지가 정상 작동에서 비정상 작동으로 전환하는 순간 실링부에 설치되어 있는 배출 밸브의 구동 상태를 나타내는 모식도들이다;
도 4는 도 1에 대한 하나의 바람직한 변형예에 따라 배출 밸브가 설치되어 있는 이차전지의 평면도이다;
도 5 및 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 배출 밸브로서, 이차전지가 정상 작동에서 비정상 작동으로 전환하는 순간 실링부에 설치되어 있는 배출 밸브의 구동 상태를 나타내는 모식도들이다;
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가스 배출 밸브로서, 이차전지가 비정상 작동시 가스가 배출되는 상태에서의 배출 밸브의 구동 상태를 나타내는 모식도이다.

Claims (13)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중, 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스를 외부로 배출하지만 외부의 가스가 전지셀 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 얇은 두께의 밸브('일방향 배출 밸브')가 적어도 한 개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 일방향 배출 밸브는,
    실링부에 접착되는 제 1 필름;
    상단부를 제외한 외주면이 상기 제 1 필름에 접촉되어 있고, 상단 높이가 제 1 필름의 상단보다 낮은 다공성 필름;
    상단부를 제외한 외주면이 상기 다공성 필름에 접촉되어 있고, 하단부는 다공성 필름의 하단으로부터 소정의 폭으로 이격된 위치에서 결합되어 있으며, 상단의 높이는 다공성 필름의 상단보다 높고, 다공성 필름보다 유연한 소재 내지 얇은 두께를 가진 가변 필름; 및
    상기 제 1 필름의 대향 측에서 실링부에 접착되고, 상단부를 제외한 외주면이 상기 가변 필름의 하단에 결합되어 있는 제 2 필름;
    을 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 가변 필름은 탄성 소재로 이루어져 있고, 상단 단부가 상기 제 1 필름 방향으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 필름과 제 2 필름의 상단 단부는 전지의 정상 작동 상태에서 서로 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 일방향 배출 밸브의 상단 개구는 전지셀 외부와 연통되도록 실링부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 일방향 배출 밸브의 상단 개구는 소정의 폭의 실링부에 의해 밀폐되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 상단 개구를 밀폐하는 실링부의 폭은 실링부 전체 폭을 기준으로 10 내지 60%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 다공성 필름은 기액 분리막인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩.
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