KR20130009500A - 파우치형 전지 및 그 이용 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체 및 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 외장재를 포함하며, 외장재는 외장재로부터 돌출되어 형성된 전해액 추가 주입부를 포함하는 파우치형 전지와 이를 이용하는 방법에 관한 것이다.

Description

파우치형 전지 및 그 이용 방법{Pouch type battery and using method thereof}
본 발명은 파우치형 전지 및 이를 이용하는 방법에 관한 것이다.
이차전지는 그 장점으로 인해 산업 전반에 걸친 다양한 기술분야에 적용되고 있으며, 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터와 같은 모바일 전자기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 및 디젤 내연기관의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 하이브리드 전기 자동차 등의 에너지원으로 사용되며, 가정이나 산업용 에너지 저장 시스템에도 사용되고 있다. 따라서, 이차전지를 오랜시간 안정적으로 사용하기 위한 연구가 지속되고 있다.
본 발명의 일실시예는, 전해액을 지속적으로 공급할 수 있는 파우치형 전지 및 이와 같은 파우치형 전지를 이용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 외장재;를 포함하며, 상기 외장재는 상기 외장재로부터 돌출되어 형성된 전해액 추가 주입부를 포함하는 파우치형 전지를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 전해액 추가 주입부는 상기 외장재의 상부로부터 돌출될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전극 조립체는, 상기 양극판과 전기적으로 연결되며 상기 외장재로부터 인출된 양극 탭, 및 상기 음극판과 전기적으로 연결되며 상기 외장재로부터 인출된 음극 탭을 포함하며, 상기 전해액 추가 주입부는 상기 양극 탭 및 상기 음극 탭의 인출 방향과 동일한 방향에 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전해액 추가 주입부는 상기 양극 탭 및 상기 음극 탭 사이에 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전해액 추가 주입부는, 상기 전해액 추가 주입부의 외곽을 따라 형성된 실링부에 의해 밀봉될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전해액 추가 주입부의 내부는 상기 외장재의 내부 공간과 공간적으로 연통될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전해액 추가 주입부의 말단은 절개가능하며, 상기 절개된 후의 전해액 추가 주입부의 외곽을 따라 재 형성된 실링부에 의해 밀봉될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전해액 추가 주입부의 길이는 3 내지 7 cm가 되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전해액 추가 주입부는 상기 외장재의 일측에 형성된 테라스에 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 파우치형 전지는 중대형의 에너지 저장용 전지 팩에 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 외장재를 포함하며, 상기 외장재는 상기 외장재로부터 돌출되어 형성된 전해액 추가 주입부를 포함하는 파우치형 전지를 준비하는 단계; 상기 파우치형 전지의 사용 중 상기 전해액 추가 주입부의 말단의 일부를 잘라내는 단계; 상기 일부가 잘린 상기 전해액 추가 주입부를 통해 추가 전해액을 주입하는 단계; 및 상기 전해액 추가 주입부의 말단을 밀봉하는 단계;를 포함하는 파우치형 전지의 이용 방법을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 전해액 추가 주입부는 상기 외장재의 테라스로부터 돌출되어 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전해액 추가 주입부의 말단의 일부를 잘라내는 단계, 상기 추가 전해액을 주입하는 단계, 및 상기 밀봉하는 단계를 반복 수행할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따르면, 전해액 추가 주입부를 구비함으로써 수~ 수십년 동안 안정적으로 동작하는 파우치형 전지를 제공할 수 있다.
따라서, 이와 같은 파우치형 전지가 사용되는 시스템의 유지 관리 시에 새로운 전지로의 교체가 필요 없으므로, 유지 관리 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 전지를 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지의 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3a는 도 1의 Ⅲa-Ⅲa선을 따라 취한 단면도이다.
도 3b는 도 1의 Ⅲb-Ⅲb선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지의 제작 과정을 개략적으로 나타낸다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지의 전해액 추가 주입부를 이용하여 전해액을 주입하는 과정을 나타낸다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 전지를 개략적으로 나타낸 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지의 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 3a는 도 1의 Ⅲa-Ⅲa선을 따라 취한 단면도이고, 도 3b는 도 1의 Ⅲb-Ⅲb선을 따라 취한 단면도이다.
도 1, 도 2 및 도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 전지(100)는 전극 조립체(110), 리드 탭(130), 및 전해액 추가 주입부(125)가 구비된 외장재(120)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지(100)는 재충전이 가능한 이차 전지로서, 예컨대 리튬-이온 전지로 구성될 수 있다.
전극 조립체(110)는 외장재(120)의 내부에 수용된다. 전극 조립체(110)는 양극판(111), 음극판(112) 및 양극판(111)과 음극판(112) 사이에 개재된 세퍼레이터(113)를 포함한다. 전극 조립체(110)는 양극판(111)과 세퍼레이터(113) 및 음극판(112)이 차례대로 적층된 상태의 적층형 전극 조립체일 수 있다. 고출력, 대용량의 파우치형 전지(100)를 제공하기 위해 다수 장의 양극판(111), 세퍼레이터(113) 및 음극판(112)이 적층될 수 있다.
양극판(111)은 알루미늄 등의 소재로 이루어지는 양극 집전체의 표면에 양극 활물질을 도포하여 형성될 수 있다. 양극 활물질로는 예컨대, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMnO4와 같은 리튬 함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물을 사용할 수 있다.
음극판(112)은 니켈 등의 재질로 이루어지는 음극 집전체의 표면에 음극 활물질을 도포하여 형성될 수 있다. 음극 활물질로는 예컨대, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금 등을 사용할 수 있다.
양극판(111)과 음극판(112) 각각에는 전극 탭(115)이 전기적으로 연결될 수 있다. 서로에 대하여 적층된 양극판(111) 및 음극판(112)으로부터 인출되는 전극 탭들(115)은 서로 중첩되고, 서로 밀집된 형태의 전극 탭들(115)은 리드 탭(130)과 전기적으로 연결된다. 예컨대, 전극 탭(115)과 리드 탭(130)은 초음파 융착 등의 방법으로 결속될 수 있다. 리드 탭(130) 중 어느 하나는 양극 리드 탭(131)이고, 다른 하나는 음극 리드 탭(132)이다.
세퍼레이터(113)는 리튬 이온이 양극판(111)과 음극판(112) 사이를 양호하게 이동할 수 있도록 다공성 폴리프로필렌(PP) 또는 다공성 폴리에틸렌(PE) 재질을 포함할 수 있다.
리드 탭(130)은 외장재(120)의 상부로부터 외부를 향해 연장되며, 외장재(120)와의 밀봉성을 향상시키고 외장재(120)와의 전기적 절연을 위하여 탭 테이프(140)로 둘러싸일 수 있다.
본 실시예에서는 전극 조립체(110)가 적층형인 경우를 설명하지만 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예컨대, 전극 조립체(110)는 양극판, 세퍼레이터 및 음극판이 적층된 후 젤리롤 형태로 권취된 권취형 전극 조립체일 수 있다.
외장재(120)는 파우치형이며, 전극 조립체(110)와 전해액을 수용하기 위한 내부 공간을 포함한다. 예컨대, 외장재(120)는 외부로 노출된 면과 전극 조립체(110)를 수용하는 내측면이 절연층인 금속박일 수 있다. 예컨대, 외장재(120)는 알루미늄, 스테일레스 스틸과 같은 소재를 포함할 수 있다.
외장재(120)는 외장재(120)의 일측으로부터 돌출된 전해액 추가 주입부(125)를 포함한다. 전해액 추가 주입부(125)는 소정의 길이(h)를 갖도록 외장재(120)의 상부로부터 연장된다. 전해액 추가 주입부(125)의 길이(h)는 파우치형 전지(100)의 사용 연한, 용량 등을 고려해서 결정될 수 있으며, 예컨대, 약 3~7cm의 길이를 가질 수 있다. 본 발명의 일 예로서, 약 50A의 파우치형 전지(100)를 제작하는 경우, 전해액 추가 주입부(125)의 길이(h)는 약 5cm가 될 수 있다.
전해액 추가 주입부(125)는 외장재(120)의 상부로부터 돌출될 수 있다. 전해액 추가 주입부(125)가 상부에 구비됨으로써 전해액을 주입할 때 중력을 이용할 수 있다. 또한, 전해액 추가 주입부(125)를 양극 탭(131) 및 음극 탭(132)의 인출 방향과 동일한 방향에 구비함으로써, 전해액 추가 주입부(125)를 구비하기 위한 별도의 공간을 확보할 필요가 없다.
전해액 추가 주입부(125)는 외장재(120)의 테라스(127)에 수납될 수 있다. 도 2를 참조하면, 전해액 추가 주입부(125)는 접힌 상태로서 외장재(120)의 테라스(127) 상에 배치될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 테라스(127) 상에서 전해액 추가 주입부(125)는 클램프와 같은 고정 부재(미도시)로 고정될 수 있다. 본 실시예에서는 전해액 추가 주입부(125)가 반으로 접힌 상태를 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예컨대, 전해액 추가 주입부(125)의 길이에 따라 롤 형태로 말아서 테라스(127) 상에 배치하고 고정할 수 있음은 물론이다.
외장재(120)는 내부에 수용된 전해액이 누출되지 않도록 밀봉부(122)를 포함한다. 밀봉부(122)는 외장재(120)의 외곽을 따라 형성되므로, 전해액 추가 주입부(125)의 외곽이 밀봉된다. 도 1 및 도 3b를 참조하면, 전해액 추가 주입부(125)의 외곽, 즉 모서리만 밀봉되어 있으므로 전해액 추가 주입부(125)의 내부는 외장재(120)의 내부 공간과 공간적으로 연통된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지의 제작 과정을 개략적으로 나타낸다.
도 4를 참조하면, 도 3을 참조하여 설명한 전극 조립체(410)가 완성된 후 외장재(420)의 내부에 수납시킨 다음, 상부, 우측, 하부를 따라 실링한다. 이 때 형성되는 제1 실링부(422a)는 외장재(120)의 외곽을 따라 형성된다. 외장재(120)의 3 변을 따라 제1 실링부(422a)가 형성되었므로, 외장재(120)의 우측은 개방된 상태이다.
이 후, 개방된 외장재(120)를 통해서 전해액을 주입하고 우측변을 밀봉하며 임시 실링부(422b)를 형성하고, 활성화 공정을 수행한다. 이 때 발생하는 가스는 외장재(120)의 우측 공간(450)에 모일 수 있다.
가스를 배출하기 위해 외장재(120)의 우측을 절단한 후, 최종적으로 제2 실링부(422c)를 형성함으로써 파우치형 전지(400)를 완성할 수 있다.
상술한 바와 같은 과정을 통해 제작된 파우치형 전지(400)는 수~ 수십년 동안 동작하면서 에너지를 저장하거나 저장된 에너지를 외부로 공급하는 중대형의 에너지 저장용 전지 팩에 사용될 수 있다. 파우치형 전지(400)가 오랜 시간 동작되면서 전해액이 모자라는 경우가 생길 수 있다. 이 때, 전해액 추가 주입부(425)를 이용하여 전해액을 추가할 수 있다. 이하에서는 전해액을 추가하는 과정을 설명한다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지의 전해액 추가 주입부(125)를 이용하여 전해액을 주입하는 과정을 나타낸다.
도 5는 파우치형 전지(100)을 사용하는 초기 상태를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 파우치형 전지(100)를 사용하다가 전해액을 추가적으로 공급해야 하는 경우에 절단선 C-C을 따라 전해액 추가 주입부(125)의 말단부를 잘라낸다. 도 6은 전해액 추가 주입부(125)의 일부가 잘려진 상태를 나타낸다.
전해액 추가 주입부(125)의 말단부가 잘려졌으므로, 전해액 추가 주입부(125)는 개방된 상태이다. 개방된 전해액 추가 주입부(125)로 전해액을 공급한다. 전해액 추가 주입부(125)가 파우치형 전지(100)의 상부에 구비되어 있으므로, 전해액은 중력의 영향에 의하여 파우치형 전지(100)의 내부로 용이하게 이동할 수 있다.
추가적인 전해액의 공급이 완료된 후, 개방된 전해액 추가 주입부(125)의 말단을 밀봉한다. 밀봉은 열융착의 방식에 따라 수행될 수 있다. 도 7은 추가적으로 전해액을 공급한 후 밀봉한 상태를 나타낸다.
도 5 및 도 7을 비교하면, 전해액 추가 공급부의 길이가 커팅된 만큼 줄어든 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같은 과정을 반복적으로 수행함으로써 주기적으로 전해액을 보충할 수 있다. 전해액의 보충이 반복적으로 수행될 때마다 전해액 추가 주입부(125)의 길이가 줄어들기 때문에, 전해액 추가 주입부(125)의 길이는 파우치형 전지(100)의 사용 연한, 용량 등을 고려해서 결정됨은 앞서 언급한 바와 같다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100: 파우치형 전지 110: 전극 조립체
120, 420: 외장재 122: 밀봉부
125, 425: 전해액 추가 주입부 127: 테라스
130, 430: 리드 탭 140: 탭 테이프

Claims (13)

  1. 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 외장재;를 포함하며,
    상기 외장재는 상기 외장재로부터 돌출되어 형성된 전해액 추가 주입부를 포함하는 파우치형 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 추가 주입부는 상기 외장재의 상부로부터 돌출된 파우치형 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는,
    상기 양극판과 전기적으로 연결되며 상기 외장재로부터 인출된 양극 탭, 및 상기 음극판과 전기적으로 연결되며 상기 외장재로부터 인출된 음극 탭을 포함하며,
    상기 전해액 추가 주입부는 상기 양극 탭 및 상기 음극 탭의 인출 방향과 동일한 방향에 구비된 파우치형 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전해액 추가 주입부는 상기 양극 탭 및 상기 음극 탭 사이에 형성된 파우치형 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 추가 주입부는,
    상기 전해액 추가 주입부의 외곽을 따라 형성된 실링부에 의해 밀봉되는 파우치형 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전해액 추가 주입부의 내부는 상기 외장재의 내부 공간과 공간적으로 연통된 파우치형 전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전해액 추가 주입부의 말단은 절개가능하며, 상기 절개된 후의 전해액 추가 주입부의 외곽을 따라 재 형성된 실링부에 의해 밀봉되는 파우치형 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 추가 주입부의 길이는 3 내지 7 cm가 되도록 형성된 파우치형 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 추가 주입부는 상기 외장재의 일측에 형성된 테라스에 형성되는 파우치형 전지.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 파우치형 전지는 중대형의 에너지 저장용 전지 팩에 사용되는 파우치형 전지.
  11. 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 외장재를 포함하며, 상기 외장재는 상기 외장재로부터 돌출되어 형성된 전해액 추가 주입부를 포함하는 파우치형 전지를 준비하는 단계;
    상기 파우치형 전지의 사용 중 상기 전해액 추가 주입부의 말단의 일부를 잘라내는 단계;
    상기 일부가 잘린 상기 전해액 추가 주입부를 통해 추가 전해액을 주입하는 단계; 및
    상기 전해액 추가 주입부의 말단을 밀봉하는 단계;를 포함하는 파우치형 전지의 이용 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전해액 추가 주입부는 상기 외장재의 테라스로부터 돌출되어 형성된 파우치형 전지의 이용 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전해액 추가 주입부의 말단의 일부를 잘라내는 단계, 상기 추가 전해액을 주입하는 단계, 및 상기 밀봉하는 단계를 반복 수행하는 파우치형 전지의 이용 방법.
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