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KR101305242B1 - 신규한 구조의 이차전지 - Google Patents

신규한 구조의 이차전지 Download PDF

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KR101305242B1
KR101305242B1 KR1020110056082A KR20110056082A KR101305242B1 KR 101305242 B1 KR101305242 B1 KR 101305242B1 KR 1020110056082 A KR1020110056082 A KR 1020110056082A KR 20110056082 A KR20110056082 A KR 20110056082A KR 101305242 B1 KR101305242 B1 KR 101305242B1
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battery
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강정수
조영보
하종수
박찬민
김현우
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명에 따른 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 수납하고 열융착에 의해 외주면을 밀봉한 이차전지로서, 내부 실란트층/금속 배리어 층/외부 수지층의 단면 구조로 이루어진 밀봉부의 단면을 포함하는 전지케이스의 외주면 전부에 외부로부터 수분의 유입을 방지하고 절연저항이 향상되도록, 전기 절연성의 고분자 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지이다.

Description

신규한 구조의 이차전지 {Secondary Battery of Novel Structure}
본 발명은 신규한 구조의 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 수납하고 열융착에 의해 외주면을 밀봉한 이차전지로서, 내부 실란트층/금속 배리어 층/외부 수지층의 단면 구조로 이루어진 밀봉부의 단면을 포함하는 전지케이스의 외주면 전부에 외부로부터 수분의 유입을 방지하고 절연저항이 향상되도록, 전기 절연성의 고분자 코팅층이 형성되어 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, 파우치형 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, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 전지는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 수납되고, 케이스의 외곽이 밀봉되어 있는 전지를 말한다.
도 1을 참조하면 라미네이트 시트(10)는 최외곽을 이루는 외부 수지층(11), 물질의 관통을 방지하는 금속 배리어층(12), 접착층(13), 및 밀봉을 위한 내부 실란트층(14)으로 구성되어 있다. 경우에 따라서는, 접착층(13)이 포함되지 않을 수도 있다.
금속 배리어층은 파우치형 전지의 기계적 강도를 향상시키고, 공기, 습기 등과 같은 외부 불순물들이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지하며 알루미늄 시트가 주로 사용된다.
그러나, 상기 알루미늄 시트는 파우치형 케이스의 외곽의 단면 및 가스배출(degassing) 부위에서 외부로 직접 노출되어 있으므로, 이 경우 밀봉부의 절연저항이 저하될 수 있는 문제가 있다. 특히, 전극 탭들이 노출된 부위에서는 외력 인가시 전극 탭들이 알루미늄 시트와 직접 접촉되어 단락을 일으킬 수 있다.
또한, 수분 차단성이 없는 외부 피복층이 상기 외곽 단면 및 디개싱 부위에서 외부에 직접적으로 노출되므로, 전지 내부로 수분이 유입되어, 수명특성의 저하, 장기 보관특성의 저하와 같은 문제를 일으킬 수 있다.
따라서, 상기와 같은 전지 성능이 저하되는 문제를 근본적으로 방지하고, 전지의 안정성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
특히, 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 전원으로서 중대형 전지팩에 사용되는 이차전지는 장기간의 수명이 필요하고 다수의 전지셀들이 밀집되는 특성상 안전성 확보가 매우 중요하다.
또한, 전지는 전지케이스가 자체로 높은 기계적 강성을 발휘할 수 있을 때, 침상 관통 등에 대해 우수한 저항성을 발휘할 수 있고, 다수의 전지들을 사용하여 중대형 전지팩을 구성할 때 우수한 구조적 안정성을 발휘할 수 있다.
전지케이스에 상기와 같은 기계적 강성을 제공하는 하나의 방안으로는 동일한 소재에서 전지케이스의 두께를 두껍게 구성하는 것이지만, 이 경우, 전지의 경량화와 전지의 조립 특성이 저하되므로, 바람직하지 않다.
따라서, 상기와 같은 안전성과 안정성을 모두 만족시킬 수 있는 이차전지에 대한 수요가 높다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본원의 발명자들은 라미네이트 시트 단면을 포함한 파우치 케이스의 외주면 전부에 전기 절연층 또는 기계적 강성이 향상된 전기 절연층을 코팅시키거나, 선택적으로, 서로 다른 물성을 갖는 코팅층을 형성시키는 경우, 라미네이트 시트 단면의 노출 가능성을 최소화하여 안전성을 담보하면서, 얇은 두께에도 불구하고 우수한 기계적 특성을 발휘할 수 있고, 특정 부위에만 선택적으로 절연층을 코팅시키는 경우에 비해 제조공정성이 향상됨을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 수납하고 열융착에 의해 외주면을 밀봉한 이차전지로서, 내부 실란트층/금속 배리어 층/외부 수지층의 단면 구조로 이루어진 밀봉부의 단면을 포함하는 전지케이스의 외주면 전부에 외부로부터 수분의 유입을 방지하고 절연저항이 향상되도록, 전기 절연성의 고분자 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전지케이스의 외주면 전부에 전기 절연층을 형성시킴으로써 라미네이트 시트 단면의 절연저항을 향상시키는 동시에 외부로부터 수분이 유입되는 것을 방지하여 수명특성, 장기 보관특성을 향상시키는 효과를 발휘한다.
상기 전극조립체로부터 연장되어 외부로 노출되어 있는 전극 탭들이 전지케이스와 접하는 접합단면의 전극 탭들의 상하면에는 절연성 필름 층이 더 형성되어 있을 수 있다.
일반적으로, 양극 탭은 알루미늄 시트로 이루어지고, 음극 탭은 구리 시트로 이루어지므로, 열융착 시 전극 탭들이 형성된 부위는 밀봉력이 저하된다. 따라서, 전극 탭들이 형성된 부위에는 밀봉성이 향상되도록 절연테이프로 전극 탭들의 상하면을 감쌀 수 있다.
상기 고분자 코팅층은, 다음의 예로 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 아로마틱 폴리아마이드, 폴리아마이드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 열방성 액정고분자, 폴리술폰, 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리아크릴로니트릴-부타디엔스타이렌 공중합체(PAN-PB-PS), 폴리테트라메틸렌옥사이드-1,4-부탄디올 공중합체(폴리부틸렌테레프랄레이트 탄성체), 스티렌을 포함하는 공중합체, 불소계 수지, 폴리비닐클로라이드(PVC), 및 폴리아크릴로니트릴(PAN)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 것으로 이루어질 수 있다.
상기 고분자 층의 두께는 밀봉부 단면의 두께 대비 1% 내지 20%인 것이 바람직한 바, 상기 고분자 층의 두께가 밀봉부 단면 두께 대비 너무 작은 경우에는 소망하는 기계적 강성을 얻을 수 없고, 반대로 너무 큰 경우에는 파우치형 이차전지의 두께가 두꺼워지므로 바람직하지 않다. 더욱 바람직한 두께는 1% 내지 10%일 수 있다.
또한, 상기 고분자 층은 전극 탭의 길이 대비 30 내지 50%에 대응하는 길이만큼 전지케이스의 외주면을 감싸는 것이 바람직하다.
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 발명은 또한, 상기와 같이 파우치형 이차전지의 외주면 전부에 절연성의 고분자 코팅층이 형성된 이차전지의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 제조방법은,
내부 실란트층/금속 배리어 층/외부 수지층의 단면 구조로 이루어진 파우치형 전지케이스의 수납부에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 수납하는 과정; 전지케이스의 외주면 밀봉부를 고온의 실링 툴로 압착하여 융점이 낮은 내부 실란트층을 용융 및 상호 접착시켜 밀봉하는 과정; 상기 밀봉 이후에 파우치 형 이차전지 내의 가스를 외부로 배출시킨 후 전기 절연성을 갖는 코팅물질로 코팅하는 과정; 을 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 코팅과정은,
파우치형 전지케이스 내에 수납되어 밀봉된 이차전지에 전압을 연결하고 충방전 사이클을 실시하여 활성화시키는 활성화 과정; 가스 포집부의 일측 단부를 천공하여 가스를 제거하는 디개싱 과정; 상기 천공부를 다시 밀봉시키는 리실링 과정; 및
코팅물질로 파우치형 케이스의 외주면을 코팅하는 과정; 을 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
이때, 상기 코팅은 특정한 코팅법으로 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 딥-코팅법(dip-coating), 스프레이 코팅법 등에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히, 리튬 함유 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른바, 리튬 이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는, 특히, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 고출력 대용량의 전지, 또는 이러한 전지를 단위전지로서 다수 개 포함하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 전지모듈은, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력저장장치 등의 동력원으로 사용될 수 있다.
이러한 중대형 전지모듈의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전지케이스의 외주면 전부에 전기 절연층을 형성시킴으로써 라미네이트 시트 단면의 절연저항을 향상시키는 동시에 외부로부터 수분이 유입되는 것을 방지하여 수명특성, 장기 보관특성을 향상시키는 효과를 발휘한다.
본 발명은 무기물 입자의 첨가에 의해 기계적 강성이 향상되므로, 침상관통과 같은 외력에 의한 이차전지의 안전성을 향상시키기 위해서 별도의 셀 케이스를 사용하지 않을 수 있으므로, 제조공정성이 향상되는 동시에 전지팩 구성 시 경량화를 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 파우치형 이차전지의 일면 및 타면이 서로 다른 물성을 갖도록 코팅층을 형성시킴으로써 전지팩 구성 시 경량화를 도모하는 동시에 기계적 강성의 향상을 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 정면 투시도다;
도 2는 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 3은 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법에 대한 모식도이다;
도 4는 본 발명에 따른 이차전지를 딥-코팅법에 의해서 제조하는 과정에 대한 모식도이다.
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 2를 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.
전지케이스(10)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.
이차전지(100)는 전지케이스(20)의 수납부에 전극조립체(30)를 장착한 상태에서 전지케이스(20) 외주면의 접촉부위를 상호 열융착시켜 제조한다.
이때, 최내층에 해당하는 내주 실란트층이 서로 대면하고 있는 상기 본체와 덮개의 실링부에 열을 가하는 경우, 내부 실란트층이 용융되면서 본체와 덮개가 융착에 의해 결합 및 밀봉된다.
도 2와 같은 전극 조립체 수납 과정(S1), 전지 케이스 밀봉 과정(S2)을 거친 이차전지(100)은 도 3에 도시된 바와 같이 전압을 연결하고 충방전 사이클을 실시하여 활성화시키는 활성화 과정(S31), 활성화 과정 중에 발생된 가스를 외부로 배출하는 디개싱 과정(S32), 가스 배출을 위해 천공한 일측 단부를 재차 밀봉시키는 리실링 과정(S33) 및 절연성의 고분자 코팅물질 또는 무기물 입자가 함유된 절연성의 고분자 코팅물질로 이차전지(100)의 외주면 전부에 코팅층을 형성시키는 과정(S34)의 과정을 거친다.
도 4에는 딥-코팅법에 의해 본 발명에 따른 이차전지를 제조하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 코팅물질(210)이 담겨있는 코팅용기(200)에 이차전지(100)를 전극 탭의 길이 대비 30 내지 50%에 대응하는 길이까지 담갔다가 뺀 후 건조시키는 과정을 통해 이차전지(100)의 외주면에는 절연성의 고분자 코팅층(110)이 형성된다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 수납하고 열융착에 의해 외주면을 밀봉한 이차전지로서, 내부 실란트층/금속 배리어 층/외부 수지층의 단면 구조로 이루어진 밀봉부의 단면을 포함하는 전지케이스의 외주면 전부와 전극 탭의 일부에 외부로부터 수분의 유입을 방지하고 절연저항이 향상되도록, 전기 절연성의 고분자 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체로부터 연장되어 외부로 노출되어 있는 전극 탭들이 전지케이스와 접하는 접합단면의 전극 탭들의 상하면에는 절연성 필름 층이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 코팅층은 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 아로마틱 폴리아마이드, 폴리아마이드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 열방성 액정고분자, 폴리술폰, 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리아크릴로니트릴-부타디엔스타이렌 공중합체(PAN-PB-PS), 폴리테트라메틸렌옥사이드-1,4-부탄디올 공중합체(폴리부틸렌테레프랄레이트 탄성체), 스티렌을 포함하는 공중합체, 불소계 수지, 폴리비닐클로라이드(PVC), 및 폴리아크릴로니트릴(PAN)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 층에는 기계적 강성을 향상시키는 무기물 입자가 더 첨가된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 무기물 입자는 알루미늄 옥사이드, 마그네슘 퍼콜레이트(Magnesium Perchlorate), 바륨 옥사이드, 보릭 언하이드라이드(Boric Anhydride), 칼슘 클로라이드, 칼슘 옥사이드, 큐푸릭 설페이트(Cupric Sulfate), 리튬 알루미늄 하이드라이드, 마그네슘 옥사이드, 마그네슘 설페이트, 포스포로스 펜톡사이드(Phosphorous Pentoxide), 포타슘 카보네이트, 포타슘 하이드록사이드, 소듐, 소듐 하이드록사이드, 소듐 설페이트, 징크 클로라이드, 및 실리카겔로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형, 스택형, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지 모듈
  9. 제 8 항에 따른 중대형 전지모듈을 단위모듈로 사용하는 중대형 전지팩.
  10. 제 9 항에 따른 중대형 전지팩을 전원으로 사용하는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차.
  11. 제 9 항에 따른 중대형 전지팩을 전원으로 사용하는 전력저장장치.
  12. 이차전지를 제조하는 방법으로서,
    내부 실란트층/금속 배리어 층/외부 수지층의 단면 구조로 이루어진 파우치형 전지케이스의 수납부에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 수납하는 과정;
    전지케이스의 외주면 밀봉부를 고온의 실링 툴로 압착하여 융점이 낮은 내부 실란트층을 용융 및 상호 접착시켜 밀봉하는 과정;
    상기 밀봉 이후에 파우치 형 이차전지 내의 가스를 외부로 배출시킨 후 전기 절연성을 갖는 코팅물질로 전지 케이스의 외주면 전부와 전극 탭의 일부를 코팅하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 코팅은 딥-코팅법(dip-coating)에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 코팅은 스프레이 코팅법에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
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