KR20080036257A - 향상된 안전성의 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트의 케이스에 밀봉되어 있으며, 상기 케이스의 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 수납부의 외주면을 열융착시켜 밀봉을 행하고, 상기 열융착에 의해 형성되는 실링부의 적어도 일부는, 시트의 열융착 고분자보다 낮은 융점의 고분자 수지가 상기 실링부의 폭 너비 대비 50% 이내의 범위에서 전해액과 접하지 않는 위치에 부가된 상태에서 열융착이 행해지는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 밀봉성을 약화시키지 않으면서 동시에, 전지 내부의 고압 가스를 효율적으로 방출시켜 전지에 대한 발화 내지 폭발의 위험성을 미연에 차단하고 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

향상된 안전성의 이차전지 {Secondary Battery of Improved Safety}

도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다;

도 3a는 종래의 이차전지의 열융착 과정을 도시한 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 열융착 과정을 도시한 단면도이다;

도 4 내지 10은 각각 본 발명의 각 실시예들에 따른 이차전지의 구조들을 나타낸 정면도들이다.

본 발명에 따른 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트의 케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 상기 케이스의 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 수납부의 외주면을 열융착시켜 밀봉을 행하며, 상기 열융착에 의해 형성되는 실링부의 적어도 일부는, 시트의 열융착 고분자보다 낮은 융점의 고분자 수지가 상기 실링부의 폭 너비 대비 50% 이내의 범위에서 전해액과 접하지 않는 위치 에 부가된 상태에서 열융착이 행해지는 것으로 구성되는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 전지케이스에 내장한 다음 전해액을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.

이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다.

안전성의 문제들 중 하나로, 전지가 고온에 노출되었을 때 발생되는 분리막의 수축 또는 파손으로 인한 내부단락은 매우 심각한 실정이고, 이에 대한 원인규명 및 대안에 대한 연구가 많이 행해졌다.

일반적으로 분리막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 다공성 고분자 필름이 사용되고 있으며, 이러한 분리막은 저렴하고 내화학성이 우수하여 전지의 작동에 바람직하다는 장점을 가지고 있지만, 고온의 환경에서 수축하기 쉽다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 일반적으로 분리막과 전극 사이에 접착층을 도포하여 부착하는 방식이 많이 사용되고 있다. 이러한 접착층으로는 전극 활물질의 결착제로도 사용되는 PVdF 등이 주로 사용되고 있다. 그러나, 이러한 접착층은 그것이 도포되지 않을 경우에 비하여 이온의 이동성이 저하되어 낮은 레이트 특성을 나타낸다는 단점을 가지고 있다. 또한, 접착층을 도포하는 작업 자체가 별도의 공정으로서 추가되어야 하므로, 작업 공정수의 증가에 따른 많은 문제점들을 유발하기도 한다.

한편, 파우치형 이차전지에서는 전지케이스의 밀봉력이 저하되어 전해액이 누출되는 문제점도 빈번하게 발생한다. 도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)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(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.

이차전지(10)는 전지케이스(20)의 수납부에 전극조립체(30)를 장착한 상태에서 전지케이스(20) 외주면의 접촉부위를 상호 열융착시켜 제조는 바, 이러한 이차전지는 내부 단락, 과충전, 고온에의 노출 등의 비정상적인 작동 상태에 이르게 되면, 내부 전해액이 분해되면서 고압의 가스가 발생하게 된다. 발생된 고압 가스는 전지 케이스의 변형을 유발하고 전지의 수명을 단축시킬 수 있으며, 심각하게는 전지의 발화 내지 폭발을 초래할 수 있다.

따라서, 이러한 고압 가스 발생시 전지의 발화 내지 폭발을 방지하고 효율적으로 가스를 방출하기 위한 다양한 시도들이 행해진 바 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2005-116235호는 전극조립체를 내장한 라미네이트 필름의 외주부를 열융착하여 밀봉하는 전지에 있어서, 열융착되는 라미네이트 필름 외주부의 일측에 열융착 조건을 달리하거나, 열융착되는 실링부의 폭을 상대적을 작게 하는 등 가스 방출기구를 구비하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 고압 가스를 방출하기 위하여 열융착되는 실링부의 특정 부분에 대한 밀봉력을 약화시킨 것에 불과하므로, 반복적인 충방전 과정에서 밀봉력이 약화된 특정 부분을 통한 전지셀 내부로의 수분 침투 및 전해액의 누액이 우려된다는 문제점이 있다.

일본 특허등록 제3,638,765호는 판상형의 전극조립체를 외장 부재에 수납하 고 외장 부재의 외주부를 열융착 내지 접착제층을 통해 밀봉한 전지에 있어서, 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 동시에 양극판 및 음극판에 접속된 양극 및 음극 리드를 외장 케이스의 실링부로부터 외부로 인출한 전지에 있어서, 외장 케이스의 실링부의 일부에는 라미네이트 시트보다 융점이 낮은 열융착 수지 시트를 삽입한 상태에서 열융착을 행하는 기술을 개시하고 있다.

그러나, 상기 기술들은 모두 삽입되는 수지 절편이 실링부의 내측 단부에서 전지셀 내부의 전해액 등에 노출되므로 심각한 문제점을 가지고 있다. 그러한 문제점을 이하에서 설명하면 다음과 같다.

이차전지의 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. 이러한 전해액은 양 극판에 도포된 활물질과 전기 화학적 반응을 일으키기 위해 대부분 강한 극성을 띄고 있다는 특징이 있다. 전지셀 자체의 케이스 재질과 삽입되는 고분자 수지 시트 간의 재질의 차이는 극성이 강한 전해액과의 사이에서 반응성의 차이를 유발하게 되고, 이는 실링부의 밀봉성 약화로 직결되게 된다.

또한, 열융착되는 실링부 내에 다른 소재의 고분자 수지가 삽입되어 있는 경우에는, 비록 열융착 과정을 거친다 하더라도, 서로 다른 고분자 수지 간의 접합부 분에는 미세한 크랙이 발생하게 되고, 충방전 과정을 반복적으로 거치는 과정에서 이러한 미세한 크랙 등으로 인해 전지의 수명이 단축될 수 있고, 발생된 크랙을 통해 전해액이 외부로 누액될 수 있다는 문제점이 발생한다.

특히, 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 전원으로서 중대형 전지팩에 사용되는 이차전지는 장기간의 수명이 필요하고 다수의 전지셀들이 밀집되는 특성상 안전성 확보가 매우 중요하다.

따라서, 수분의 침투 및 전해액의 누액 현상을 방지하면서도 예기치 못한 상황 전개로 인해 발생할 수 있는 고압 가스를 효율적으로 방출함으로써, 전지셀의 발화 내지 폭발이 발생하는 것을 미연에 방지하여, 전지의 수명 및 안정성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 전지의 수분 침투 및 전해액의 누액 현상을 방지하면서 동시에, 전지셀 내부의 고압 가스를 효율적으로 방출함으로써 전지에 대한 발화 내지 폭발의 위험성을 미연에 차단하여 향상된 안전성을 확보할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트의 케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 상기 케이스의 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 수납부의 외주면을 열융착시켜 밀봉을 행하며, 상기 열융착에 의해 형성되는 실링부의 적어도 일부는, 시트의 열융착 고분자보다 낮은 융점의 고분자 수지가 상기 실링부의 폭 너비 대비 50% 이내의 범위에서 전해액과 접하지 않는 위치에 부가된 상태에서 열융착이 행해지는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명은 상기 고분자 수지를 실링부의 폭 너비 대비 50% 이내의 범위로 부가함으로써, 전지셀 내부에 가스가 발생하여 고압을 형성하게 되면, 고분자 수지를 부가한 부분이 다른 부위에 비해 먼저 개방되면서 내부 가스를 효율적으로 배출시키게 된다. 즉, 고분자 수지의 부가로 인한 전지셀의 밀봉성 저하를 최소화시키면서 전지셀 내부 가스의 효율적인 방출을 유도하여 전지의 발화 내지 폭발을 미연에 방지할 수 있다.

상기 라미네이트 시트는 열융착되는 내측 수지층, 차단성 금속층 및 우수한 내구성의 외측 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있고, 상기 라미네이트 시트가 상호 접하는 실링부에서, 내측 수지층들은 열융착에 의해 상호 결합되어 있고, 상기 내측 수지층들의 결합부를 감싸는 구조로 금속층들이 용접에 의해 상호 결합되어 있으며, 상기 금속층들의 결합부를 감싸는 구조로 외측 수지층들이 열융착 또는 별도의 수지에 의해 상호 결합되어 있는 것으로 구성되어 있다.

상기 내측 수지층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않 는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(cPP)이 사용될 수 있다.

상기 차단성 금속층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다.

상기 외측 수지층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 연신 나일론 필름 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 바람직하게 사용될 수 있다.

이차전지 실링부의 접착은 내부 가스의 발생으로 부피 변화시에는 쉽게 열릴수 있는 구조가 되어야 하지만, 부피 팽창이 되지 않는 경우에는 강하게 결합되어 있어야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 라미네이트 시트의 접착부에 무연신 폴리프로필렌(cPP)이 아닌 저융점의 이종 고분자 수지를 첨가함으로써 정상적인 영역에서는 충분한 접착력을 보장하지만 부피 팽창 시에는 빠르게 열릴 수 있도록 하였다.

본 발명에 따른 이차전지는 내부 수지층의 실링부에 저융점의 고분자 수지가 부가된 상태에서 열융착 하게 된다. 이차전지가 과충전 내지 고온에 노출되면, 전지셀의 내부 온도는 상승하고 전해액은 분해되면서 가스가 발생하게 된다. 전지의 온도가 일정 수준 이상으로 상승하게 되면 융점이 낮은 고분자 수지는 먼저 용융되면서 내부 가스의 분출구를 형성하게 된다. 따라서, 상기 저융점 고분자 수지는 내부 수지층에 대해 일정 수준 이상의 융점 차이를 가진 소재로 구성되며, 상기 융점 차이는 10 내지 50℃ 사이가 바람직하다. 왜냐하면, 상기 융점 차이가 10℃ 미만인 경우에는 내압 성능의 차이가 크지 않아 전지의 발화 등을 방지하는 효과가 미미하고, 50℃를 초과하는 경우에는 고분자 수지의 융점이 지나치게 낮아 전지의 밀봉성이 감소되면서 전해액의 누액 내지 수분 침투를 방지하는 효과가 떨어지기 때문이다.

바람직한 하나의 예로서, 상기 라미네이트 시트의 내부 수지층으로 사용되는 무연신 폴리프로필렌(cPP)는 약 160℃의 융점을 가지는 것으로 알려져 있으므로, 이에 대해 정밀한 온도 선택성을 부여하기 위해서 부가되는 고분자 수지로는 약 135℃의 융점을 가지는 폴리에틸렌(PE)이 사용될 수 있다.

상기 저융점 고분자 수지는 특별한 형상의 제한 없이 부가될 수 있으나, 제조상의 용이성 내지 고분자 수지의 부가 공정의 효율을 위해 필름 형태로 개재되어 부가될 수 있으며, 특히 바람직하게는 박막의 형태로 코팅되어 부가되는 구조일 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지에서, 상기 저융점 고분자 수지는 전해액과 접하지 않는 위치에 부가되는 바, 예를 들어, 저융점 고분자 수지가 실링부에 부가되어 열융착된 상태에서 실링부에 의해 완전히 감싸여 있는 구조일 수 있으며, 경우에 따라서는, 저융점 고분자 수지가 실링부에 부가되어 열융착된 상태에서 그것의 적어도 일부가 전지의 외부에 접해 있거나 또는 실링부의 중앙 부위에 위치하여 완전히 밀봉되는 구조일 수 있다.

만약 상기 저융점 고분자 수지가 전해액과 접한 상태, 즉, 전지의 내부에 접한 상태로 부가되는 경우에는, 이종 고분자간의 전해액과의 함침(swelling) 정도의 차이로 인하여 계면이 불안정해지면서 전해액이 외부로 누액될 수 있을 뿐만 아니라 고분자간의 접합부에 미세한 크랙이 발생하여 실링부의 밀봉성을 약화시킬 수 있다. 이러한 밀봉성의 약화로 인해, 전지 내부로의 수분침투가 용이해지게 되며, 나아가 전지의 수명을 단축시키는 결과를 초래할 수 있다.

바람직하게는, 상기 저융점 고분자 수지는 실링부의 중앙 부위에 부가되어 열융착된 상태에서 전지의 실링부에 의해 완전히 밀봉되는 구조일 수 있다. 저융점의 고분자 수지가 실링부의 폭 대비 50% 이내의 범위에서 상기 실링부의 중앙 부위에 개재될 경우에는 전지의 정상적인 작동 범위에서는 전지의 밀봉성이 약화되지 않고, 비정상적인 작동 범위에서 고압 가스가 발생하게 되면 상대적으로 낮은 내압 성능을 갖고 있는 상기 고분자 수지가 개재된 부분이 먼저 개방되므로, 전지가 발화하거나 폭발하는 위험성을 미연에 제거할 수 있다.

상기 저융점 고분자 수지의 부가 면적은 실링부의 면적 전체를 기준으로 1 내지 20%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 저융점 고분자 수지의 부가 면적이 20%를 초과하는 경우에는 전지의 밀봉성이 현저히 약화되면서 전지 내부로의 수분 침투 및 전해액 누액의 가능성이 높아져 바람직하지 못하다. 반대로, 1% 미만인 경우에는 일정 수준 이상의 고압 상태가 되어도 실링부가 개방되지 않게 되어 전지의 발화 내지 폭발 방지라는 발명의 목적을 달성하기 어렵기 때문에 바람직하지 못하다.

파우치형 전지의 라미네이트 시트는, 일반적으로 외측 수지층의 두께가 5 내지 40 ㎛이고, 금속층의 두께가 20 내지 150 ㎛이며, 내측 수지층의 두께가 10 내지 100 ㎛의 범위 내인 것으로 구성된다. 본 발명에 따른 저융점 고분자 수지는, 그 중에서 내부 수지층 사이에 부가되며, 1 내지 50 ㎛의 두께로 부가되는 것이 바람직하다. 이는 부가되는 두께가 너무 얇은 경우에는 고분자 수지의 부가로 인한 내압 성능의 저하 효과가 미미하고, 반대로 너무 두꺼우면 라미네이트 시트 상에 두께 차이로 인한 단차가 형성되고 이러한 단차는 시트의 물리적 강도를 약화시키고 가공성을 저하시켜 바람직하지 않다.

상기 전지케이스는 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지 케이스일 수 있다. 그러한 바람직한 예로는, 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부 또는 일측 단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스를 들 수 있으며, 구체적으로, 전극조립체가 내장되어 있는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다.

본 발명은 다양한 형태와 종류의 전지에 활용 가능한 바, 상기 전지는 전극조립체에 리튬 함유 전해액을 함침시켜 제조되는 리튬 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지모듈에 관한 것이다.

본 발명에 따른 이차전지는 높은 안전성과 우수한 밀봉성으로 인해 고출력 대용량의 전지 또는 전지팩용 단위전지로서 바람직하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 파우치형 이차전지(200)는, 파우치형 전지케이스(300) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 고체 전해질 코팅 분리막으로 이루어진 전극조립체(210)가 그것의 양극 및 음극 탭들(220, 230)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(222, 232)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전지케이스(300)는 전극조립체(210)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(311)를 포함하는 케이스 본체(310)와 그러한 본체(310)에 일체로서 연결되어 있는 덮개(320)로 이루어져 있다.

스택형 전극조립체(210)는 다수의 양극 탭들(220)과 다수의 음극 탭들(230)이 각각 융착되어 전극리드(222, 232)에 함께 결합되어 있다. 또한, 케이스 본체(310)의 잉여부(312)와 커버(320)가 열융착기에 의해 열융착 될 때, 그러한 열융착기와 전극리드(222, 232) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고, 전극리드(222, 232)와 전지케이스(100)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극리드(222, 232)의 상하면에 절연필름(240)이 부착된다.

케이스 본체(310)와 커버(320)는 앞서 설명한 바와 같은 외측 수지층, 차단성 금속층 및 내측 수지층으로 구성되어 있고, 내측 수지층은 고분자 수지의 절편(100)을 부가한 상태에서, 케이스 본체(310)의 외면과 커버(320)의 외면에 가해지는 열융착기(도시하지 않음)로부터의 열과 압력에 의해 밀착 고정될 수 있게 된다.

전해액이 함침된 전극조립체(210)를 수납부(311)에 안착한 상태에서 케이스 본체(310)의 잉여부(312)와 커버(320) 사이에 2 ㎛ 두께의 폴리에틸렌(PE) 수지(100)를 잉여부(312)의 폭 대비 30%의 너비로 자른 폴리에틸렌(PE) 절편(100)을 부가하고, 잉여부(312)와 커버(320) 사이의 접촉부위를 열융착 시키면 실링부가 형성된다.

이러한 파우치 전지(200)는 상기 실링부에서 수분의 침투 및 전해액의 누액을 방지하고, 내부 가스의 압력이 일정 수준을 초과하게 되면, PE 절편(100)이 부가된 부분이 먼저 개방되면서 전지의 비정상적인 작동 상태에서 발화되는 것을 미연에 방지하고, 전지의 수명 및 안전성을 크게 향상시키게 된다.

도 3a 및 3b에는 종래의 이차전지와 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 단면도가 각각 모식적으로 도시되어 있다.

종래의 이차전지는 도 3a와 같이, 전지케이스의 본체(310)의 잉여부(312)와 뚜껑(320) 사이를 열융착하여 밀봉하는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명에 따른 이차전지는, 도 3b에서 보는 바와 같이, 케이스 본체(310)의 잉여부(312)와 뚜껑(320) 사이에 저융점의 고분자 수지, 즉 폴리에틸렌(PE) 절편을 부가한 상태에 서, 열융착을 행하도록 구성되어 있어서, PE 절편(100)이 부가된 부분과 그렇지 않은 부분의 내압 성능이 달라져, 전지 내부에서 고압 가스가 발생하게 되면, 전지(200) 전체의 파열을 방지하고 효율적인 가스 분출을 유도하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

도 4와 5에는 각기 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 정면도가 나타나 있다.

도 4의 경우에는, 저융점 고분자 수지로서 폴리에틸렌(PE) 절편(100a)이, 열융착 되는 케이스 본체(310) 잉여부(312)의 폭 너비를 기준으로, 중앙 부위에 부가되어 있는 구조로 되어 있다. 본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 5에는, 폴리에틸렌(PE) 절편(300b)의 일측이 전지(200)의 외측에 접하는 상태로 잉여부(311) 상에 부가되어 있다.

도 6과 7에는 각각 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지로서, 도 3b 및 도 4와는 달리 PE 절편(100c, 100d)이 전지(200)의 양 전극 리드들(222, 232) 사이에 부가되어 있는 구조일 수 있다.

도 8 내지 10은 각기 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 이차전지를 도시한 것이다. 즉, 둘 이상의 PE 절편들(100e 등)이 전지(200)의 열융착 되는 잉여부(312)의 일측면 방향 또는 타측면 방향에 함께, 또는 대향면 방향에 각각 하나씩 형성되어 있는 구조일 수 있다.

이상에서 도시한 경우 외에도, 하나 또는 둘 이상의 고분자 수지의 절편을 열융착되는 잉여부의 폭 대비 50% 이하의 너비로 부가되는 경우로서, 당해 기술 분 야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 창작 가능한 부분 역시 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

양극은 일반적으로 알려진 조성으로 리튬 코발트 산화물, PVdF 및 도전재의 슬러리를 알루미늄 집전체 위에 코팅하여 제조하였고, 음극은 일반적으로 알려진 조성으로 흑연, PVdF 및 도전재의 슬러리를 구리 집전체 위에 코팅하여 제조하였다.

상기 양극과 음극 사이에 이들보다 다소 큰 크기로 재단된 분리막을 개재시켜 전극조립체를 조립하고, 도 1에서와 같은 폭 대비 긴 길이의 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스 내부에 전극조립체를 장착하였다.

상기 라미네이트 시트는 무연신 폴리프로필렌(cPP) 재질의 내측 수지층, 차단성 알루미늄 금속층 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 재질의 외측 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있다.

상기 열융착되는 내부 수지층 사이에 폴리에틸렌(PE) 수지의 절편을 도 2에서와 같이 내부 수지층의 열융착 되는 부분의 폭 대비 30%의 너비로 부가하였다.

상기 라미네이트 시트가 상호 접하는 실링부에서, 내측 수지층들을 열융착에 의해 상호 결합시켜 도 4에서와 같은 구조의 이차전지를 완성하였다.

[실시예 2]

부가되는 폴리에틸렌(PE) 수지의 절편을 도 5에서와 같이 열융착되는 내부 수지층의 외측에 밀착시켰다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[실시예 3]

부가되는 폴리에틸렌(PE) 수지의 절편을 도 6에서와 같이 전극조립체의 돌출된 전극 리드 사이에 부가하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[실시예 4]

상기 폴리에틸렌(PE) 수지의 절편 2 개를 도 8에서와 같이 열융착되는 내부 수지층의 일측에 부가하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[비교예 1]

상기 열융착되는 내부 수지층 사이에 폴리에틸렌(PE) 수지의 절편을 부가하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하 였다.

[비교예 2]

부가되는 폴리에틸렌(PE) 수지의 절편을 열융착되는 내부 수지층의 내측에 밀착시켜, 내장되어 있는 전극조립체와 접촉이 가능한 위치에 부가하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1, 2에서 각각 제조된 30 개의 전지들에 대해 1 C, 10 V 의 과충전 테스트를 실시하여 전지의 발화 여부를 확인하였다.

<표 1>

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 각 실시예들에 따른 전지는 비교예 1에 비하여 과충전 조건에서 발화되는 경우가 현저하게 감소된 것을 확인할 수 있다.

이는 전지가 과충전 조건에서 전해액이 분해되면서 온도의 상승과 함께 내부 가스가 발생하게 되는데, 실시예 1 내지 4에 의한 전지는 온도가 일정 수준 이상, 즉 부가되는 고분자 수지로 폴리에틸렌(PE)을 사용할 경우에는 135℃ 이상, 이 되면 부가된 고분자 수지가 용융되면서 해당 실링 부위가 개방되고, 이를 통해 내부의 고압 가스를 분출되면서 전지의 발화를 미연에 방지하기 때문이다.

실시예 1에 비해 실시예 4의 경우는 2 개의 고분자 수지 절편을 부가함으로써, 전지의 화재를 방지하는 기능이 더욱 향상됨을 알 수 있다. 다만, 하기의 실험예 2에 의한 수분침투 방지 효과를 검토하여 그 효율성을 평가하여야 할 것이다.

[실험예 2]

상기 실시예 1 내지 3과 비교예 2에서 각각 제조된 전지에 대해 상대습도는 90%, 그리고 60℃의 온도에서 일주일간 저장한 후, 잔류 용량을 측정하였다.

<표 2>

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 각 실시예들에 따른 전지는 비교예 2에 비하여 수분 침투 현상이 억제되어 잔류용량이 높은 것을 알수 있다.

실시예 4의 경우에는 2 개의 고분자 수지 절편을 부가함으로써, 상기 실험예 1에서는 전지의 발화를 억제하는 효과가 가장 높았음을 확인할 수 있으나, 실험예 2에서는 실시예 1 내지 3에 비하여 수분침투가 증가하여 잔류용량이 상대적으로 감소한 것을 확인할 수 있다.

따라서, 전지의 발화 위험성과 요구되는 전지의 수명을 고려하여, 적절한 경우를 선택하여 적용하여야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 수분 침투 현상을 방지하기 위한 전지의 밀봉성을 약화시키지 않으면서 동시에, 전지 내부의 고압 가스를 효율적으로 방출하여 전지에 대한 발화 내지 폭발의 위험성을 미연에 차단하여 전지의 고온 안전성을 현저하게 향상시키는 효과가 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트의 케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 상기 케이스의 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 수납부의 외주면을 열융착시켜 밀봉을 행하며, 상기 열융착에 의해 형성되는 실링부의 적어도 일부는, 시트의 열융착 고분자보다 낮은 융점의 고분자 수지가 상기 실링부의 폭 너비 대비 50% 이내의 범위에서 전해액과 접하지 않는 위치에 부가된 상태에서 열융착이 행해지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 열융착되는 내부 수지층,차단성 금속층, 및 우수한 내구성의 외부 수지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 수지층은 cPP를 주로 포함하고 있으며,차단성 금속층은 알루미늄을 주로 포함하고 있으며, 상기 외부 수지층은 연신 나일론 또는 PET를 주로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 저융점 고분자 수지는 내부 수지층에 대해 10 내지 50℃의 융점 차이를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 저융점 고분자 수지는 PE 인 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 2 항에 있어서, 저융점 고분자 수지는 상기 내부 수지층 상에 박막의 형태로 코팅되어 부가되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 저융점 고분자 수지는 필름의 형태로 개재되어 부가되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 저융점 고분자 수지는 실링부에 부가되어 열융착된 상태에서 실링부에 의해 완전히 감싸여 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 저융점 고분자 수지는 실링부에 부가되어 열융착된 상태에서 그것의 적어도 일부가 전지의 외부에 접해 있거나 또는 실링부의 중앙 부위에 위치하여 완전히 밀봉되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 저융점 고분자 수지는 실링부의 중앙 부위에 부가되어 열융착된 상태에서 전지의 실링부에 의해 완전히 밀봉되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 저융점 고분자 수지의 부가 면적은 실링부의 면적 전체를 기준으로 1 내지 20%의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 저융점 고분자 수지의 부가 두께는 1 내지 50 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 이차전지.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스는 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 이차전지.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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