KR20040023254A - Pouch-type container for containg electrodes assembly - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 2차 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 리튬 2차 전지의 전극조립체를 수납하는 파우치형 용기에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly, to a pouch-type container for storing the electrode assembly of the lithium secondary battery.
일반적으로, 리튬 2차 전지는 전극 조립체를 수납하는 용기로서 원통형 용기, 각형 용기 또는 파우치형 용기를 사용하고 있다. 그 중에서 파우치형 용기는 단위 중량 및 체적당 에너지밀도가 상대적으로 높고, 전지의 박형화 및 경량화를 가능하게 할 뿐만 아니라 용기 재료비가 적게 든다는 장점을 가지고 있다.In general, a lithium secondary battery uses a cylindrical container, a rectangular container, or a pouch type container as a container for storing the electrode assembly. Among them, the pouch type container has an advantage of relatively high energy density per unit weight and volume, enabling thinning and lightening of the battery, and low container material cost.
도 1은 파우치형 용기를 사용하는 리튬 이온 전지의 일예를 보여주는 분리사시도이다. 도 1의 리튬 이온 전지는 캐소드(11), 애노드(12) 및 세퍼레이터(13)를 포함하는 전극조립체(10)와, 전극조립체(10)를 수납하여 밀봉하는 용기(16)를 구비하고 있다. 이때 전극조립체는 캐소드와 애노드 사이에 세퍼레이터를 삽입하고 이를 권취하여 형성될 수 있다. 그리고 상기 전극조립체(10)와 외부 간의 전기적 통로 역할을 하는 캐소드탭(14) 및 애노드탭(14')은 캐소드 및 애노드로부터 인출되어 전극 단자(15, 15')에 연결된다.1 is an exploded perspective view showing an example of a lithium ion battery using a pouch-type container. The lithium ion battery of FIG. 1 includes an electrode assembly 10 including a cathode 11, an anode 12, and a separator 13, and a container 16 that houses and seals the electrode assembly 10. In this case, the electrode assembly may be formed by inserting a separator between the cathode and the anode and winding the separator. In addition, the cathode tab 14 and the anode tab 14 ′, which serve as an electrical path between the electrode assembly 10 and the outside, are drawn out from the cathode and the anode and connected to the electrode terminals 15 and 15 ′.
도 2는 파우치형 용기를 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지의 일예를 보여주는 분리사시도이다. 도 2의 리튬 이온 폴리머 전지는 캐소드, 애노드 및 세퍼레이타를 구비하는 전극조립체(21)와, 전극조립체(21)를 수납하여 밀봉하는 용기(22)를 구비하고 있다. 상기 전극조립체(21)에서 발생하는 전류를 외부로 유도하기 위한 전기적 통로 역할을 하는 전극 단자(또는 리드선)(24, 24')는 캐소드 및 애노드에 마련된 캐소드탭 및 애노드탭(23, 23')에 연결되며 용기(22) 밖으로 노출되도록 설치된다.2 is an exploded perspective view showing an example of a lithium ion polymer battery using a pouch-type container. The lithium ion polymer battery of FIG. 2 includes an electrode assembly 21 having a cathode, an anode, and a separator, and a container 22 that houses and seals the electrode assembly 21. Electrode terminals (or lead wires) 24 and 24 ′, which serve as electrical paths for inducing current generated in the electrode assembly 21 to the outside, are formed on the cathode and anode tabs and the anode tabs 23 and 23 ′. And exposed to the outside of the container 22.
상술한 바와 같은 도 1의 리튬 이온 전지 및 도 2의 리튬 이온 폴리머 전지에서는, 전극단자 (15, 15') 및 (24, 24')의 일부분만을 노출시킨 채 용기 (16, 22) 내에 전극 조립체 (10, 21)을 넣고 여기에 전해액을 주입한 다음, 열과 압력을 가하여 상부 케이스의 가장자리 부분과 하부 케이스의 가장자리 부분의 열접착성 물질끼리 접착시켜 전극조립체를 밀봉한다.In the lithium ion battery of FIG. 1 and the lithium ion polymer battery of FIG. 2 as described above, the electrode assembly in the container 16, 22 is exposed while only a portion of the electrode terminals 15, 15 'and 24, 24' are exposed. Insert (10, 21) and inject the electrolyte therein, and then heat and pressure are applied to heat the adhesive material between the edge of the upper case and the edge of the lower case to seal the electrode assembly.
이러한 전지 제조 공정에서, 전해액이 파우치형 용기의 외부에 묻는 일이 비일비재하게 발생한다. 용기의 외부에 묻어 있는 전해액을 수작업으로 완벽하게 제거하는 것은 불가능하다.In such a battery manufacturing process, the electrolytic solution adheres to the outside of the pouch-type container at random. It is not possible to completely remove the electrolyte from the outside of the container by hand.
종래의 파우치형 용기는 알루미늄층, PPA를 함유하는 내피층 및 나일론을 함유하는 외피층을 포함하고 있다. 그러나, 나일론은 수분에 대한 친화력이 다른 폴리머 보다 상대적으로 높고, 전해질에 대한 내성은 상대적으로 낮다.Conventional pouch type containers include an aluminum layer, an inner skin layer containing PPA, and an outer skin layer containing nylon. However, nylon has a relatively high affinity for water than other polymers and a relatively low resistance to electrolytes.
결국, 전지 제조 공정 중 열처리 단계에서 용기의 외부에 묻어 있는 전해질은 나일론 외피층을 부식시키게 되고, 용기의 외피층이 부식된 리튬 전지 최종 제품은 외관이 손상된 불량품으로 전락한다.As a result, the electrolyte buried in the outside of the container during the heat treatment step of the battery manufacturing process corrodes the nylon outer layer, the lithium battery end product corrosion of the outer layer of the container is deteriorated to defective products.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전해액에 대한 내성 및 긁힘에 대한 내성이 향상된 외피층을 갖는 전극조립체 수납용 파우치형 용기를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a pouch-type container for storing an electrode assembly having an outer skin layer having improved resistance to electrolyte and resistance to scratching.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 전해액에 대한 내성 및 긁힘에 대한 내성이 향상된 외피층을 갖는 전극조립체 수납용 파우치형 용기를 구비한 리튬 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lithium battery having a pouch-type container for storing an electrode assembly having an outer layer having improved resistance to electrolyte and resistance to scratching.
도 1은 파우치형 용기를 사용하는 리튬 이온 전지의 일예를 모식적으로 도시한 분리사시도이고,1 is an exploded perspective view schematically showing an example of a lithium ion battery using a pouch-type container,
도 2는 파우치형 용기를 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지의 일예를 모식적으로 도시한 분리사시도이고,2 is an exploded perspective view schematically showing an example of a lithium ion polymer battery using a pouch-type container,
도 3은 본 발명에 따른 전극조립체 수납용 파우치형 용기 재질의 단면 구조를 나타낸 도면이다.3 is a view showing a cross-sectional structure of the pouch-type container material for receiving the electrode assembly according to the present invention.
본 발명에서는, 금속기재; 금속기재의 외면에 위치하며 PC와 EPDM의 혼합물을 함유하는 외피층; 및 금속기재의 내면에 위치하며 열접착성을 갖는 내피층을 포함하는 전극조립체 수납용 파우치형 용기를 제공한다.In the present invention, a metal substrate; An outer layer located on the outer surface of the metal substrate and containing a mixture of PC and EPDM; And it provides a pouch-type container for storing the electrode assembly comprising an inner skin layer which is located on the inner surface of the metal substrate having a thermal adhesiveness.
본 발명에 따른 전극조립체 수납용 파우치형 용기는 상기 외피층과 상기 금속기재 사이에 위치하는 접착층 및 상기 내피층과 상기 금속기재 사이에 위치하는 접착층을 더 포함할 수 있다.The electrode assembly accommodating pouch-type container according to the present invention may further include an adhesive layer positioned between the outer skin layer and the metal substrate and an adhesive layer positioned between the inner skin layer and the metal substrate.
또한 본 발명에서는, 캐소드 단자와 애노드 단자가 연결되어 있는 전극조립체; 전해질; 및 상기 전극조립체와 전해질을 수납하는 본 발명에 따른 파우치형 용기를 포함하고, 상기 용기는 상기 전극조립체에 연결된 캐소드 단자 및 애노드 단자의 일부가 외부에 노출된 상태로 상기 전극조립체와 전해질을 밀봉하고 있는 리튬 전지를 제공한다.In the present invention, the electrode assembly is connected to the cathode terminal and the anode terminal; Electrolyte; And a pouch type container according to the present invention for accommodating the electrode assembly and the electrolyte, wherein the container seals the electrode assembly and the electrolyte with a portion of the cathode terminal and the anode terminal connected to the electrode assembly exposed to the outside. Provides a lithium battery.
이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체 수납용 파우치형 용기를 이루는 재질의 단면을 보여주고 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 3. 3 is a cross-sectional view of a material forming a pouch-type container for receiving an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
도 3에서 파우치형 용기는 PC와 EPDM의 혼합물을 함유하는 외피층(34), 열접착성을 갖는 내피층(30), 외피층(34)과 내피층(30) 사이에 위치하는 금속기재(32)를 포함한다. 금속기재(32)와 내피층(30) 사이의 접착력 및 금속기재층(32)와 외피층(34) 사이의 접착력을 향상시키기 위하여, 내피층(30)과 금속기재(32) 사이에 위치하는 접착층(31), 및/또는 외피층(34)과 금속기재(32) 사이에 위치하는 접착층(33)을 더 포함할 수 있다.In FIG. 3, the pouch-type container includes an outer skin layer 34 containing a mixture of PC and EPDM, an inner skin layer 30 having heat adhesiveness, and a metal base 32 positioned between the outer skin layer 34 and the inner skin layer 30. It includes. In order to improve the adhesion between the metal substrate 32 and the inner skin layer 30 and the adhesive force between the metal base layer 32 and the outer skin layer 34, an adhesive layer positioned between the inner skin layer 30 and the metal base 32. 31, and / or an adhesive layer 33 positioned between the outer skin layer 34 and the metal base 32.
상기 외피층(34)은 EPDM (ethylene-propylene dimer rubber)와 PC (polycarbonate)의 혼합물을 함유한다. 상기 혼합물은 내화학성 및 내열성이 강하고 수분친화력이 낮다는 특성을 갖는다. 이러한 재료로 형성된 외피층(34)은 어느 정도 고무와 같은 성질을 가지게 되며, 수분을 매우 적게 흡수하고 긁힘에 대하여매우 강한 내성을 보인다. 또한, 상기 혼합물은 그 융점이 약 220 ~ 약 250 ℃ 정도이므로, 내열성이 나일론 보다 더 우수하다. 외피층의 두께가 너무 얇으면, 외피층이 외부로부터의 충격에 의해 손상받기 쉬우며 긁힘에 약할 수 있으며, 너무 두꺼우면, 용기의 성형이 용이하지 않게 되어서 성형후 용기가 정확한 사이즈나 형태를 유지하기가 어려워질 가능성이 있다. 이러한 점을 고려하여 외피층(34)의 두께는 약 10 내지 약 40 ㎛ 정도로 할 수 있다.The outer layer 34 contains a mixture of ethylene-propylene dimer rubber (EPDM) and polycarbonate (PC). The mixture has characteristics of strong chemical and heat resistance and low water affinity. The outer layer 34 formed of such a material has a rubber-like property to some extent, absorbs very little moisture and exhibits very strong resistance to scratching. In addition, since the melting point of the mixture is about 220 to about 250 ℃, the heat resistance is better than nylon. If the thickness of the outer layer is too thin, the outer layer is susceptible to damage from scratches and may be susceptible to scratches. If the outer layer is too thick, it will not be easy to form the container so that the container can maintain the correct size or shape after molding. It can be difficult. In consideration of this point, the thickness of the skin layer 34 may be about 10 to about 40 μm.
외피층에서의 EPDM과 PC의 함량은, 본 발명의 목적에 부합하는 한 특별한 제한은 없으나, 예를 들면, 용기가 갖추어야 할 물성을 고려하여 상기 외피층의 PC의 함량은 약 95 내지 약 99 중량% 정도가 되도록 할 수 있다.The content of EPDM and PC in the outer layer is not particularly limited as long as it satisfies the purpose of the present invention. For example, the content of PC in the outer layer is about 95 to about 99% by weight in consideration of the physical properties of the container. Can be
외피층을 형성하기 위한 PC와 EPDM의 혼합물은 일정한 온도 및 전단응력 (shear force) 하에서 PC를 주 도메인으로 한 반응혼합(reactive blending)을 통하여 제조될 수 있다. 사용가능한 혼합장치로서는 배치(batch) 형태, 또는 익스트루더(extruder)와 같은 연속공정 형태의 장치 등이 사용될 수 있다. 이와 같이 제조된 PC와 EPDM의 혼합물은 드라이 라미네이팅 (dry laminating) 방법, 또는 익스트루더 라미네이팅 (extruder laminating) 방법으로 코팅될 수 있다.The mixture of PC and EPDM to form the outer layer can be prepared through reactive blending with PC as the main domain under constant temperature and shear force. As a usable mixing apparatus, a batch form or a continuous process apparatus such as an extruder may be used. The mixture of PC and EPDM thus prepared may be coated by a dry laminating method or an extruder laminating method.
금속기재(32)는 수분이 전지 내부로 침투하는 것을 방지하고 전해액이 전지 외부로 투과하는 것을 방지 하는 기능을 한다. 금속기재(33)의 재료로서는 일반적으로 알루미늄이 사용되지만, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 금속기재(33)의 두께가 너무 얇으면 용기의 형상유지가 용이하지 않게 되고, 너무 두꺼우면 전지의 무게를 과다하게 증가시키게 될 가능성이 있다. 이러한 점을 고려하여금속기재(33)의 두께는, 예를 들면, 약 10 ~ 약 100㎛ 정도로 할 수 있다.The metal base 32 prevents moisture from penetrating into the battery and prevents the electrolyte from penetrating the battery. As a material of the metal base 33, aluminum is generally used, but is not necessarily limited thereto. If the thickness of the metal base 33 is too thin, it is difficult to maintain the shape of the container, and if the thickness is too thick, the weight of the battery may be excessively increased. In consideration of this point, the thickness of the metal base 33 can be, for example, about 10 to about 100 μm.
상기 내피층(30)은, 용기가 전극조립체 및 전해액을 내부에 수납한 후 가열/가압에 의하여 밀봉될 수 있도록, 열접착성을 가져야 한다. 내피층(30)의 재료로서는, 전해액에 안정하고 화학적으로 다른 관능기를 가지고 있지 않는 폴리올레핀 계열이 사용될 수 있으며, 보다 상세하게는 표면처리된 PP 또는 PE, 공중합에 의하여 접착력이 향상된 PP 또는 PE 계열의 물질 등이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 예를 들면, 프로필렌과 아크릴산의 공중합체인 PPA(poly(propylene-co-acrylic acid)), 또는 에틸렌과 아크릴산의 공중합체인 PEA(poly(ethylene-co-acrylic acid)) 등이 사용될 수 있다. PPA층의 융점은 약 120 ~ 180 ℃ 정도이다. 내피층(30)의 두께가 너무 얇으면 접착강도가 약하고, 너무 두꺼우면 전지의 중량을 과도하게 증가시키는 경향이 있다. 이러한 점을 고려하여 내피층의 두께는, 예를 들면, 약 10 내지 약 40 ㎛ 정도로 할 수 있다.The endothelial layer 30 should have heat adhesiveness such that the container may be sealed by heating / pressurization after storing the electrode assembly and the electrolyte therein. As the material of the inner skin layer 30, a polyolefin series which is stable in the electrolyte and does not have chemically different functional groups may be used. More specifically, the PP or PE series which has improved adhesion by surface treatment of PP or PE and copolymerization may be used. Materials and the like may be used, but are not necessarily limited thereto. For example, PPA (poly (propylene-co-acrylic acid)), which is a copolymer of propylene and acrylic acid, or PEA (poly (ethylene-co-acrylic acid)), which is a copolymer of ethylene and acrylic acid, may be used. Melting | fusing point of a PPA layer is about 120-180 degreeC. If the thickness of the inner skin layer 30 is too thin, the adhesive strength is weak, and if too thick, the weight of the battery tends to be excessively increased. In consideration of this point, the thickness of the inner skin layer may be, for example, about 10 to about 40 μm.
상기 접착층(31, 33)은 내피층과 외피층이 금속기재로부터 박리되는 것을 방지하기 위하여 사용될 수 있다. 접착층은 여러가지 첨가제가 화학반응에 의하여 강하게 결합함으로써 형성되고, 수분이나 다른 유기용매에도 견딜 수 있을 만큼 강한 3차원 네트워크 형태로 형성된다. 본 발명의 다른 구현예에서는 접착층(31)과 접착층(32)은 서로 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 접착층의 재질로서는, 예를 들면, 아크릴계 접착제가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.The adhesive layers 31 and 33 may be used to prevent the inner layer and the outer layer from being peeled from the metal substrate. The adhesive layer is formed by strongly bonding various additives by chemical reactions, and is formed in the form of a three-dimensional network that is strong enough to withstand moisture and other organic solvents. In another embodiment of the present invention, the adhesive layer 31 and the adhesive layer 32 may be made of different materials. As a material of the adhesive layer, for example, an acrylic adhesive may be used, but is not necessarily limited thereto.
본 발명에 따른 파우치형 용기의 전체적인 형상은 도 1 또는 도 2에 나타난 것과 같을 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The overall shape of the pouch-shaped container according to the invention may be as shown in FIG. 1 or FIG. 2. However, it is not necessarily limited thereto.
본 발명에 따른 파우치형 용기는 그 적용범위가 매우 광범위하다. 예를 들면, 도 1에 나타난 것과 같이, 캐소드와 애노드사이에 세퍼레이터를 삽입하고 이를 젤리롤 방식으로 권취하여 된 전극 조립체를 본 발명에 따른 파우치형 용기에 내장할 수 있으며, 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 캐소드와 애노드사이에 세퍼레이터를 적층하여 바이셀 구조의 전극 조립체를 만든 다음 이를 본 발명에 따른 파우치형 용기에 내장할 수도 있다. 더우기, 본 발명에 따른 파우치형 용기는 리튬 2차 전지 뿐만아니라 리튬 1차 전지에 적용될 수도 있다.The pouch-shaped container according to the present invention has a very wide range of applications. For example, as illustrated in FIG. 1, an electrode assembly obtained by inserting a separator between a cathode and an anode and winding it in a jellyroll manner may be embedded in a pouch-type container according to the present invention, as shown in FIG. 2. Likewise, a separator may be stacked between the cathode and the anode to make an electrode assembly having a bicell structure, and then embedded in a pouch-type container according to the present invention. Furthermore, the pouch-shaped container according to the present invention may be applied to not only lithium secondary batteries but also lithium primary batteries.
전극조립체는 외부와의 전기적 연결을 위하여 캐소드 단자 및 애노드 단자에 연결되어 있다. 전극조립체와 전해질은 본 발명에 따른 파우치형 용기 내부에 수납되며, 상기 용기는 상기 전극조립체에 연결된 캐소드 단자 및 애노드 단자의 일부가 외부에 노출된 상태로 전극조립체와 전해질을 밀봉한다. 밀봉 부위에는 폴리머의 융점 근처의 온도까지 가열되어 있는 프레스 형태의 다이에 의해 일정한 압력이 가해진다.The electrode assembly is connected to the cathode terminal and the anode terminal for electrical connection with the outside. The electrode assembly and the electrolyte are housed inside the pouch-type container according to the present invention, and the container seals the electrode assembly and the electrolyte with a portion of the cathode terminal and the anode terminal connected to the electrode assembly exposed to the outside. A constant pressure is applied to the sealing site by a die in the form of a press heated to a temperature near the melting point of the polymer.
전해액에 의한 외피층의 부식 부위는 변색되거나, 그 표면이 거칠어진다. 전해액에 의한 외피층의 부식정도는 육안, 광학현미경 또는 SEM을 통하여 관찰될 수 있다. 본 발명의 용기에서는 변색이나 표면거칠기가 육안으로 관찰되지 않았다. 외피층의 내긁힘성은 사포(sand paper)에 의한 일방향 마찰에 의하여 평가되었으며, 본 발명의 용기는 종래의 용기보다 약 1.5 배 정도 강한 내긁힘성을 보여주었다.Corrosion sites of the outer skin layer by the electrolyte are discolored or the surface thereof becomes rough. Corrosion of the outer layer by the electrolyte can be observed by visual observation, optical microscope or SEM. In the container of this invention, discoloration and surface roughness were not observed visually. The scratch resistance of the outer layer was evaluated by unidirectional friction with sand paper, and the container of the present invention showed about 1.5 times stronger scratch resistance than the conventional container.
본 발명에 따른 파우치형 용기의 외피층은 매우 향상된 내화학성, 내열성 및내긁힘성을 가지고 있다.The outer layer of the pouch type container according to the present invention has very improved chemical resistance, heat resistance and scratch resistance.
본 발명에 따른 파우치형 용기를 전지 제조에 적용함으로써 전해액에 의한 전지의 외관 손상 및 긁힘에 의한 전지의 외관 손상을 억제할 수 있으며, 결과적으로 전지 제조 공정의 불량율을 낮출 수 있다.By applying the pouch-shaped container according to the present invention to manufacture the battery, it is possible to suppress the appearance damage of the battery by the electrolyte and the appearance damage of the battery due to scratching, and as a result, the defective rate of the battery manufacturing process can be reduced.
또한, 본 발명에 따른 파우치형 용기를 구비하는 리튬 전지는 전해액에 의한 외관 손상 및 긁힘에 의한 외관 손상에 견디는 능력이 향상된다.In addition, the lithium battery having the pouch-type container according to the present invention has an improved ability to withstand external appearance damage caused by scratches and external appearance damage caused by electrolytic solutions.
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