KR20220014566A - 흡착코팅층 및 이를 포함하는 파우치형 전지 - Google Patents

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Abstract

본원발명은 전극탭 및 전극리드 용접부의 적어도 일부에 부착된 보호필름, 상기 보호필름의 일면에 부가된 흡착제를 포함하는 흡착코팅층을 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것으로서, 상기 흡착코팅층이 부가된 보호필름이 전극탭과 전극리드 용접부에 부가되어, 용접부를 보호할 뿐만 아니라, 전지내에 발생하는 가스를 신속하게 흡착하여 스웰링을 최대한 억제할 수 있는 이점을 제공한다.

Description

흡착코팅층 및 이를 포함하는 파우치형 전지{Pouch-type battery with CPP tape coated by absorbent}
본원발명은 가스 흡착코팅층 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다. 구체적으로 전극탭과 전극리드 용접부에 부가되는 보호필름; 및 상기 용접부에 대면하는 상기 보호필름의 타면에 코팅된 가스 흡착제를 포함하는 가스 흡착코팅층 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지, 전고체 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화 경향으로 두께가 얇은 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높다.
파우치형 전지는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 밀봉되어 있는 전지를 말한다. 파우치형 케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형 (권취형), 스택형(적층형), 또는 복합형(스택/폴딩형)의 구조로 이루어져 있을 수 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극탭들(40, 50), 전극탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드들(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함한다.
전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있다. 전극리드들(60, 70)은 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극탭들(40, 50)과, 예를 들어 초음파 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 전극탭과 전극리드의 초음파 용접은 20㎑ 정도의 높은 초음파에 의해 발생된 고주파 진동을 인가하여, 전극탭과 전극리드 사이의 경계면에서 혼(Horn)과 엔빌(Anvil)의 작동에 따라 진동에너지가 마찰에 의해 열에너지로 변환되면서 급속히 용접이 이루어진다.
전극탭들(40, 50)과 전극리드들(60, 70)을 연결하기 위한 용접으로 인하여 용접면의 상태가 매끄럽지 못한 바, 상기 용접면이 전지케이스(20)의 내부와 직접 접촉하는 경우 절연불량이 발생할 우려가 있다. 상기 용접면과 전지케이스(20) 내부와의 접촉을 방지하기 위하여 보호필름(90)을 부착된다. 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이는 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위해 전극리드와 전지케이스 사이에는 절연필름(80)이 부착되어 있다.
전해질에 함침된 전극조립체(30)를 전지케이스(20) 내부 공간부(미도시)에 안착한 상태에서 전지케이스(20)의 외주면을 열융착시키며, 실링부가 형성된다.
파우치형 전지는 과충전, 고온 노출, 내부 단락 등이 유발되었을 때, 전해질의 분해로 인한 다량의 가스가 발생하면서 전지케이스가 부풀어오르는 이른바 스웰링(swelling) 현상이 나타난다. 스웰링 현상은 밀봉된 케이스 내부에 고압을 유발하면서, 전해질 분해를 더욱 촉진하여 폭발을 초래할 수 있다. 또한, 발생한 가스로 인해 전지케이스의 중앙 부위가 부풀어 오르면서 전지의 변형을 유발하고 그로 인해 단락이 발생하는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높다.
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극탭과 전극리드의 결합부에 적용되어 용접부를 보호하고 및 전지내에서 발생하는 가스를 신속하게 흡착할 수 있는 보호부재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 저비용으로도 파우치형 이차전치의 스웰링을 최대한 억제할 수 보호부재 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지를 게공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 적층 구조의 전극조립체; 상기 전극조립체를 내부에 수용하는 파우치형 케이스를 포함하는 파우치형 전지에 있어서,
상기 전극조립체의 전극탭과 상기 파우치형 전지의 외부로 돌출되는 전극리드는 용접에 의해 전기적으로 상호 연결된 용접부를 형성하고 있고, 상기 용접부의 적어도 일부에는 보호필름이 부착되어 있으며, 상기 보호필름의 외면에는 흡착제를 포함하는 흡착코팅층이 부가된 파우치형 전지를 제공한다.
상기 흡착제는 수소와 이산화탄소를 흡착하는 것으로서, 구체적으로 BaTiO3, PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), hafnia (HfO2)SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화칼륨(KOH), dipeptide 기반 물질, 유기 제올라이트 및 3,3′,4,4′-tetra(trimethylsilylethynyl)biphenyl을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 흡착코팅층은 상기 보호필름의 전체 외면 대비 50% 내지 100%의 면적이고, 상기 보호필름의 두께는 10㎛ 내지 100㎛이다. 상기 흡착코팅층의 두께는 상기 보호필름 두께의 40% 내지 60%이며,
상기 보호필름은 상기 전극탭과 상기 전극리드의 용접부에서 더 연장되어 상기 전극탭 및 상기 전극리드의 표면에도 배치될 수 있으며, 상기 보호필름은 상기 전극탭과 상기 전극리드의 용접부 전체를 덮을 수 있는 크기이고, 상기 보호필름과 상기 전극탭과 상기 전극리드의 용접부 사이에는 보호필름 접착층이 부가되며, 상기 보호필름 접착측은 상기 용접부 전체를 덮을 수 있는 크기이다.
상기 보호필름의 상단면에 대응하는 전지케이스는 상기 흡착코팅층의 두께 및 면적만큼의 미세 그루부를 형성할 수 있다.
본원발명은 상기 구성 중 가능한 조합을 통한 추가의 구성으로 제공할 수 있다.
본원발명에 따른 흡착코팅층이 부가된 보호필름은 전극탭과 전극리드의 용접부를 감싸며 배치되어, 용접부를 보호하고 전지내에 발생하는 가스를 신속히 흡착할 수 있어 스웰링을 효과적으로 억제할 수 있는바, 전지의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 모식도이다.
도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지 전극리드 부분에 대한 투시 평면도이다.
도 3은 종래의 파우치형 이차전지에 있어서, 전극탭 및 전극리드 용접부에 보호필름이 배치된 상태를 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 전극탭 및 전극리드 용접부에 흡착코팅층이 부가된 보호필름이 배치된 상태를 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 5는 본원발명의 일 실시예에 따른 흡착코팅층이 부가된 보호필름이 배치된 상태로 파우치형 전지가 열융착된 결합상태를 나타낸 측면도이다.
도 6은 본원발명의 일 실시예에 따른 흡착코팅층이 기체를 흡착하여 팽창된 상태를 나타낸 파우치형 전지의 측면도이다.
본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본원발명에 대한 이해를 돕기 위해 본원발명을 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지 전극리드 부분에 대한 투시 평면도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 전극탭(110)및 전극리드(120)는 일정 부분이 상하로 겹치도록 용접한 용접부(130)를 구성하고, 상기 용접부(130)의 외면에는 전극탭(110) 방향 및 전극리드(120) 방향으로 연장된 면적의 보호필름(140)이 위치하고 있다.
도 3은 종래의 파우치형 이차전지에 있어서, 전극탭 및 전극리드 용접부에 보호필름이 배치된 상태를 모식적으로 나타낸 측면도이고, 도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 전극탭 및 전극리드 용접부에 흡착코팅층이 부가된 보호필름이 배치된 상태를 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 3을 참조하면, 전극탭(210) 및 전극리드(220)는 일정 부분이 상하로 겹치도록 위치한 용접부(230)를 구성하고, 상기 용접부(230)를 기준으로 전극탭(210) 방향 및 전극리드(220) 방향으로 연장된 보호필름(240)이 전극탭(210)의 하면 및 전극리드(220)의 상면에 각각 위치하고 있다. 상기 보호필름(240)은 열융착성 고분자 수지로 이루어져 있기 때문에 일정한 온도 및 압력을 가하는 경우 상기 보호필름(240)이 용융되어 용접부(230)의 주변 둘레를 충분히 감싸게 된다. 이와 같은 보호필름(240)에 의하여 초음파 용접으로 인해 거칠어진 용접부(230)의 표면이 케이스 내면과 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
도 4를 참조하면, 전극탭(310) 및 전극리드(320)는 일정 부분이 상하로 겹치도록 위치한 용접부(330)를 구성하고, 상기 용접부(330)를 기준으로 전극탭(310) 방향 및 전극리드(320) 방향으로 연장된 면적의 흡착필름(360)이 용접부(330)의 주변을 둘러싸고 있다. 상기 흡착필름(360)의 보호필름(340)은 상기 전극탭(310)의 하면 및 전극리드(320)의 상면까지 접해 있고, 상기 보호필름(340)에 코팅된 흡착코팅층(350)은 전지케이스의 내면에 대면하여 전지케이스 내면에 접하는 것을 특징으로 한다.
따라서 상기 보호필름(340)은 열융착성 고분자 수지로 이루어져 있기 때문에 일정한 온도 및 압력을 가하는 경우 상기 보호필름(340)이 용융되어 용접부(330)의 주변 둘레를 충분히 감싸게 된다.
이러한 보호필름(340)은 일정한 온도 이상에서 융해되어 전극탭 및 전극리드 결합부에 융착이 되는 것이라면 그 종류가 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로, 폴리에틸렌(PE), 무연신 폴리프로필렌(CPP), 폴리에스테르, 폴리우레탄 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 전극탭 및 전극리드 결합부의 상면 및 하면에서 높은 온도 및/또는 압력을 인가하면, 용접부(330)의 상면 및 하면에 위치한 보호필름의 열융착성 고분자 수지가 용융되어 상기 전극탭 및 전극리드 용접부(330)를 밀봉함으로써, 보호필름(340)을 안정적으로 고정시킬 수 있다.
한편, 상기 보호필름(340)의 두께는 10㎛ 내지 100㎛의 범위에서 형성되는 바, 전극탭(310) 및 전극리드(320)의 두께를 고려하여, 용접부(330)를 충분히 감쌀 수 있는 동시에 열융착 시 상기 흡착코팅층(350)의 바깥으로 흘러내지 않을 정도의 두께로 적절한 범위에서 선택될 수 있다. 상기 보호필름(340)의 두께가 10㎛보다 얇은 경우에는 용접부를 완전히 밀봉하는데 필요한 양이 부족할 수 있으며, 100㎛보다 두꺼운 경우에는 용융된 보호필름이 흘러나올 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 보호필름(340)의 접착 길이는 상기 전극탭(310)과 상기 전극리드(320)의 용접부(330) 길이 이상의 크기로 형성되고, 보호필름(340)의 접착 폭은 상기 용접부(330)의 폭 이상의 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 흡착코팅층(350)은 전극조립체의 두께를 최소화하면서도 가스 흡착에 대한 신뢰성이 담보될 수 있는 두께로 이루어지며, 상세하게는 상기 흡착코팅층(350)의 두께가 보호필름(340) 두께의 20% 내지 80%의 범위로 이루어 질 수 있고, 바람직하게는 40% 내지 60%의 범위로 이루어 질 수 있다. 상기 흡착코팅층(350)의 두께가 보호필름(340) 두께의 20% 미만일 경우 전지 내 발생 가스를 순간 흡착하여 전지케이스 스웰링(swelling)을 억제하는 효과가 미흡하고, 90% 이상일 경우에는 파우치 케이스가 손상될 수 있거나, 상기 흡착코팅층(350)이 부착된 부위의 테라스부 외면에 불규칙하게 도드라져 테라스부가 쉽게 파손되는 문제점이 있다.
또한 상기 흡착코팅층(350)은 상기 보호필름(340) 외면의 일부 혹은 전체면에 도포될 수 있으며 전지지의 용량, 전지케이스 시트, 상기 용접부의 특성 및 상기 보호필름의 특성에 따라 흡착코팅층의 도포 크기를 결정하며 그 크기가 보호필름의 크기 범위내에서 특별히 한정되지 않는다.
이러한 흡착코팅층(350)은 경우에 따라서는 상기 흡착코팅층은 구성물질과 바인더의 혼합물질 분말을 보호필름(340)의 최외측에 산포한 후 가압하여 형성될 수 있다.
구체적으로 상기 산포를 통하여 고르게 분산된 흡착코팅층을 얻을 수 있으며, 가압 공정으로 두께가 균일한 코팅층을 얻을 수 있게 된다.
이러한 흡착코팅층(350)을 구성하는 물질은 BaTiO3, PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), hafnia (HfO2)SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화칼륨(KOH), dipeptide 기반 물질, 유기 제올라이트 및 3,3′,4,4′-tetra(trimethylsilylethynyl)biphenyl로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 상기 전극탭(410) 및 전극리드(420) 용접부(430)를 기준으로 전극탭(410) 방향 및 전극리드(420) 방향으로 연장된 면적의 흡착필름(460)이 전극탭(410)의 하면 및 전극리드(420)의 상면에 각각 위치하고 있다. 또한, 전지케이스의 내면에 대면하는 상기 보호필름(440)의 외측에 가스 흡착코팅층(450)이 도포 되어 있고, 상기 흡착코팅층(450)은 전지케이스 내면에 접하는 것을 특징으로 한다. 상기 보호필름(440)이 상기 전극탭(410) 및 전극리드(420) 용접부(430) 주변을 둘러싸며 밀착되는 바, 보호필름(440)이 용융되어 이동된 부피만큼 흡착코팅층(450)도 신장되어 소정의 각도로 절곡된 형상으로 변하게 된다.
상기 용접부에 상단면에 대응하는 전지케이스는 상기 흡착코팅층(450)의 두께(d) 및 면적만큼의 미세 그루부를 형성하여 전극조립체가 안정적으로 정위치를 유지한 상태로 전지케이스 내에 내장되도록 한다.
도 6을 참조하면, 상기 보호필름(540)의 외측에 도포된 가스 흡착코팅층(550)은 전지케이스 내면에 접하여 있다. 상기 흡착코팅층(550)은 전지 내부에서 발생하는 가스가 전지케이스를 팽창시키면서 전극탭(510)과 전극리드(520)의 결합부(570)에 도달하는 순간 상기 흡착코팅층(550)이 가스를 흡착하여 전지케이스 내부의 가스를 최소화 시킴으로써, 스웰링을 최대한 억제 할 수 있다.
이상으로 본원발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본원발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본원발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
10: 파우치형 이차전지
20: 전지케이스
30: 전극조립체
40, 50: 전극탭
60, 70: 전극리드
80: 절연필름
90: 보호필름
100, 400, 500: 전지케이스
110, 210, 310, 410, 510: 전극탭
120, 220, 320, 420, 520: 전극리드
130, 230, 330, 430, 530: 용접부
140, 240, 340, 440, 540: 보호필름
350, 450, 550: 흡착코팅층
360, 460, 560: 흡착필름
570: 결합부
d: 흡착코팅층 두께

Claims (10)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 적층 구조의 전극조립체;
    상기 전극조립체를 내부에 수용하는 파우치형 케이스를 포함하는 파우치형 전지에 있어서,
    상기 전극조립체의 전극탭과 상기 파우치형 전지의 외부로 돌출되는 전극리드는 용접에 의해 전기적으로 상호 연결된 용접부를 형성하고 있고,
    상기 용접부의 적어도 일부에는 보호필름이 부착되어 있으며,
    상기 보호필름의 외면에는 흡착제를 포함하는 흡착코팅층이 부가된 파우치형 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡착제는 수소와 이산화탄소를 흡착하는 것인 파우치형 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 흡착제는 BaTiO3, PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), hafnia (HfO2)SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화칼륨(KOH), dipeptide 기반 물질, 유기 제올라이트 및 3,3′,4,4′-tetra(trimethylsilylethynyl)biphenyl을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상인 파우치형 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡착코팅층은 상기 보호필름의 전체 외면 대비 50% 내지 100%의 면적인 파우치형 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보호필름의 두께는 10㎛ 내지 100㎛인 파우치형 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 흡착코팅층의 두께는 상기 보호필름 두께의 40% 내지 60%인 파우치형 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보호필름은 상기 전극탭과 상기 전극리드의 용접부에서 더 연장되어 상기 전극탭 및 상기 전극리드의 표면에도 배치되는 파우치형 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보호필름은 상기 전극탭과 상기 전극리드의 용접부 전체를 덮을 수 있는 크기인 파우치형 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보호필름과 상기 전극탭과 상기 전극리드의 용접부 사이에는 보호필름 접착층이 부가되며, 상기 보호필름 접착측은 상기 용접부 전체를 덮을 수 있는 크기인 파우치형 이차전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 보호필름의 상단면에 대응하는 전지케이스는 상기 흡착코팅층의 두께 및 면적만큼의 미세 그루부를 형성 파우치형 이차전지.
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