KR20160080559A - 실링부가 보강된 파우치형 이차 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
실링부가 보강된 파우치형 이차 전지 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 파우치형 이차 전지 및 이의 제조 방법에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 실링부가 보강되어 파우치 외장 부재의 밀봉력이 향상되고 내구성과 전지의 안전성이 개선된 파우치형 이차 전지 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따른 이차 전지용 파우치 외장 부재는 실링부에 보강 실란트 부재가 추가적으로 구비되어 상부 및 하부 파우치의 내부 실란트층의 균열 발생이 방지되고 절연성이 향상된다. 또한, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는 상기 보강 실란트 부재가 구비된를 파우치 외장 부재를 사용하므로 금속박 배리어층과 전해액의 접촉에 의한 전기적 간섭 현상과 배리어 층의 부식 발생이 방지되어 이차 전지의 안전성을 높이는 효과가 있다.
본 발명에 따른 이차 전지용 파우치 외장 부재는 실링부에 보강 실란트 부재가 추가적으로 구비되어 상부 및 하부 파우치의 내부 실란트층의 균열 발생이 방지되고 절연성이 향상된다. 또한, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는 상기 보강 실란트 부재가 구비된를 파우치 외장 부재를 사용하므로 금속박 배리어층과 전해액의 접촉에 의한 전기적 간섭 현상과 배리어 층의 부식 발생이 방지되어 이차 전지의 안전성을 높이는 효과가 있다.
Description
본 발명은 파우치형 이차 전지 및 이의 제조 방법에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 실링부가 보강되어 파우치 외장 부재의 밀봉력이 향상되고 내구성과 전지의 안전성이 개선된 파우치형 이차 전지 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다.
최근 사용량이 급증하고 있는 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 내부단락, 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.
특히, 파우치형 이차전지에서는 전지케이스의 밀봉력이 저하되어 전해액이 누출되는 문제점도 빈번하게 발생한다. 파우치형 이차전지는 외곽 포장재로 연재질의 다층 필름을 사용하는 제품으로 금속 케이스를 사용한 원통 형 이차전지 또는 각형 이차전지가 가지지 못하는 여러 장점을 가지고 있다.
이러한 장점의 대표적인 예로는, 저렴한 제조비용, 가벼운 중량, 및 과도한 내압 축적 이전에 개봉됨으로써 안 정성을 확보하고 우수한 방열성능을 가지는 점 등을 들 수 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(1)는, 전극조립체(20) 및 상기 전극조립체(20)를 수납하는 파우치 외장 부재(10)를 포함한다. 이러한 파우치 외장 부재(10) 전극 조립체를 수납하기 위해 외주면에 소정의 폭을 갖는 실링부(S)를 두고 이를 제외한 내측면을 함몰시켜 전극 조립체 수납부(50)를 형성한다. 이때 상기 전극 조립체 수납부(50)는 저면부(51);와 일정한 각도를 갖고 저면부로부터 연장된 측면부(52);로 구성되며 상기 실링부(S)는 측면부(52)로부터 연장되어 있는 형태이다. 도 2는 도 1의 A 부분을 확대한 확대도이다. 도 2를 참조하면 전극 조립체 수납부(50)가 형성된 파우치 외장 부재는 저면부와 측면부의 경계(b1) 및 측면부와 실링부의 경계(b2)에 절곡부가 형성된다. 이때 측면부와 실링부의 경계(b1)에 형성된 절곡부는 파우치 전극 조립체 수납부의 외측을 향하여 절곡되기 때문에 이 부분에 위치한 내부 실란트층에 인장력이 가하여져 두께가 얇아지거나 외부 충격에 의해 미세한 크랙들이 발생할 수 있다. 도 3은 미세 크랙들에 의해 파우치 외장 부재의 내부 실란트층(13)의 절연파괴 및 이로 인한 금속박 배리어층(12)과 전해액(15)의 전기적 간섭 현상이 발생되는 것을 도식화하여 나타낸 것이다. 이러한 결함은 전지의 절연저항을 파괴시킬 뿐만 아니라 전지 내부에 수분 침투 통로가 될 수 있으며 실링 강도를 저하시키는 원인이 된다. 이러한 결함은 전해액 주액과 디개싱/재실링 공정을 수행하는 동안 더 심각한 문제를 야기할 수 있다. 통상적으로 파우치형 전지는 제조과정에서 전극 조립체를 수납하고 전해액을 주입한 후 가장자리를 실링한다. 그런 다음, 소정 횟수의 충방전을 수행하여 전지를 활성화시킨다. 이 과정에서 가스가 발생되는데 이를 디개싱(degasing)하기 위해 파우치의 실링부를 일부 개봉한 다음 재실링하는 과정을 거친다. 이러한 디개싱/재실링 과정에서 지속적으로 가하여지는 충격에 의해 내부 실란트층의 균열이 더욱 악화될 수 있으며, 이 부분에서 전해액과의 교착 실링으로 인한 내구성 저하가 더욱 심각해 질 수 있다. 따라서 전해액의 파우치 실링부의 결함 발생을 방지하기 위한 기술 개발이 여전히 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 본 발명의 목적은 이차 전지의 결함을 발생시키는 것을 방지하기 위한 파우치형 이차 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다. 특히 본 발명은 상부 및 하부 파우치의 실링부의 접착 계면을 보강하여 밀봉력을 높이고 외측으로 절곡된 실링부-전극 조립체 수납부의 경계부 근처에서 내부 실란트층에 균열이 발생하지 않도록 하는 파우치형 이차 전지의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 기술과제를 해결하기 위한 파우치형 이차 전지에 대한 것이다.
상기 파우치형 이차 전지는 파우치 외장 부재를 포함하며, 상기 파우치 외장 부재는 상부 파우치와 하부 파우치를 포함하며, 상기 상부 파우치 및 하부 파우치는 각각 외부 절연층, 금속박 배리어층 및내부 실란트층이 순착적으로 적층되어 형성된 라미네이트 시트이며, 여기에서 상기 상부 파우치와 하부 파우치는 각 파우치의 내측면이 만입되어 전극 조립체를 수납할 수 있는 내부 공간인 전극 조립체 수납부 및 외주면에 상기 전극 조립체 수납부에서 연장되고 일정한 폭을 갖는 실링부가 형성되며, 상기 상부 파우치 및/또는 상기 하부 파우치의 실링부의 내부 실란트층에 보강 실란트 부재가 부가되어 실링부가 열융착되어 밀봉될 수 있다.
여기에서, 상기 보강 실란트 부재는 전해액 주액구가 마련되는 외주면측의 실링부; 및/또는 디개싱을 위한 개봉부 및/또는 재실링부가 마련되는 외주면측의 실링부;에 부가될 수 있다.
또한, 상기 보강 실란트 부재는 실링부를 따라 전극 조립체 수납부에 접하도록 부가될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 보강 실란트 부재는 폴리올레핀계, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, CPP 변성 프로필렌계, 폴리부틸렌계, 폴리틸렌코폴리머, 프로필렌코폴리머, 폴리에스테르계, 폴리아마이드계, 폴리카보네이트계, 불소계, 실리콘계, 변성 실리콘계, 아크릴계, 에폭시계, 폴리설파이드계, 폴리우레탄계, 에틸렌-프로필렌-다이엔-모노머 러버(EPDM) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
여기에서, 상기 보강 실란트 부재의 폭은 실링부 폴 이하일 수 있다.
또한, 상부 및 하부 파우치의 실링부에 가하여지는 가열 및 가압에 의해 상기 보강 실란트 부재가 적어도 부분적으로 용융되어 상부 및 하부 실링부 사이의 틈에서 전지 내부 방향으로 돌출되어 상부 및 하부 실링부의 접합 경계가 전해액에 노출되지 않는 것일 수 있다.
또한 본 발명은 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층되어 있는 전극 조립체; 상기 전극 조립체로부터 연장되는 전극 탭; 및 상부 파우치 및 하부 파우치를 포함하고 상기 파우치 및 하부 파우치 사이에 상기 전극 조립체를 수납하는 파우치 외장 부재를 포함하는 이차 전지에 대한 것으로서, 여기에서 파우치 외장 부재는 전술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 파우치 외장 부재이며, 상기 전극 조립체 수납부 방향으로 유출되어 형성된 보강 실란트 부재의 내측 보호부에 의해 전지 내측 실링부 단부가 피복되어 전해액에 노출되지 않는 것이다.
또한, 상기 상부 파우치와 하부 파우치의 접합 경계는 디개싱을 위한 개봉부 및/또는 재실링부가 마련되는 외주면측의 접합 경계일 수 있다.
여기에서, 상기 상부 파우치와 하부 파우치의 접합 경계는 상부 및/또는 하부 파우치에서 전지의 외측 방향으로 절곡된 부분을 따라 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 파우치형 이차 전지를 제조하는 방법에 대한 것으로서, 상기 제조 방법은 (S1) 시트(sheet) 형상의 상하부 파우치용 필름에 전극 조립체 수납부를 형성하여 파우치 외장 부재를 준비하는 단계; (S2) 상기 파우치 외장 부재에 전극 조립체를 수납하는 단계; (S3) 상기 파우치 외장 부재에 전해액 주액구를 마련하고 상기 주액구를 제외한 실링부를 열융착하는 단계; (S4) 상기 파우치 외장 부재에 전해액을 주액하는 단계; (S5) 상기 파우치 외장 부재를 열융착하여 1차 밀봉하는 단계; (S6) 초회 충방전을 수행하는 단계; (S7) 상기 1차 밀봉된 실링부의 적어도 일부를 개봉하여 디개싱하는 단계; 및 (S8) 상기 파우치 외장 부재를 2차 밀봉하는 단계를 포함하며, 상기 (S1), (S2), (S3), (S4), (S5) 및 (S8) 중 어느 하나의 단계를 수행하기 전 상부 파우치와 하부 파우치의 실링부 사이에 보강 실란트 부재를 부가할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지용 파우치 외장 부재는 실링부에 보강 실란트 부재가 추가적으로 구비되어 상부 및 하부 파우치의 내부 실란트층의 균열 발생이 방지되고 절연성이 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는 상기 보강 실란트 부재가 구비된를 파우치 외장 부재를 사용하므로 금속박 배리어층과 전해액의 접촉에 의한 전기적 간섭 현상과 배리어 층의 부식 발생이 방지되어 이차 전지의 안전성을 높이는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 파우치형 종래 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도 및 이의 결합도이다.
도 2는 파우치 외장 부재의 절곡부를 확대하여 도시한 것이다.
도 3은 파우치 외장 부재의 절곡부에서 내부 실란트층에 발생된 미세 크랙과 이에 따른 절연 파괴 현상을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도 및 이의 결합도이다.
도 5는 도 4의 A-A' 선의 단면을 도시한 것이다.
도 6은 보강 실란트 부재가 구비된 파우치 외장 부재를 예시하여 나타낸 것이다.
도 7a 및 7b는 실링툴을 이용하여 실링부를 열융착하는 공정을 도식화 하여 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차 전지를 제조하는 방법의 공정 순서도이다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명에 따른 파우치 이차 전지의 제조 방법을 공정 순서대로 개략적으로 도시한 것이다.
도 1은 파우치형 종래 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도 및 이의 결합도이다.
도 2는 파우치 외장 부재의 절곡부를 확대하여 도시한 것이다.
도 3은 파우치 외장 부재의 절곡부에서 내부 실란트층에 발생된 미세 크랙과 이에 따른 절연 파괴 현상을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도 및 이의 결합도이다.
도 5는 도 4의 A-A' 선의 단면을 도시한 것이다.
도 6은 보강 실란트 부재가 구비된 파우치 외장 부재를 예시하여 나타낸 것이다.
도 7a 및 7b는 실링툴을 이용하여 실링부를 열융착하는 공정을 도식화 하여 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차 전지를 제조하는 방법의 공정 순서도이다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명에 따른 파우치 이차 전지의 제조 방법을 공정 순서대로 개략적으로 도시한 것이다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 파우치형 외장 부재 및 이를 포함하는 이차 전지의 분해 사시도이다. 도 4를 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는 음극과 양극이 분리막을 개재하여 적층되고 상기 음극과 양극에서 연장된 전극 탭들(210, 220)을 포함하는 전극 조립체(200) 및 상기 전극 조립체(200)를 수납하는 파우치 외장 부재(300)를 포함한다.
상기 파우치 외장 부재(300)는 상부 파우치(310)와 하부 파우치(320)로 구성될 수 있으며, 상기 상부 파우치(310)와 하부 파우치(320)는 각각 외부 절연층(311, 321), 금속박 배리어층(312, 322) 및 내부 실란트층(313, 323)이 순차적으로 적층된 라미네이트 시트(sheet)이다.
이러한 상부 파우치(310)와 하부 파우치(320)의 내측면이 함몰되어 형성된 전극 조립체 수납부(500)에 전극 조립체(200) 및 전해액이 수용된다. 그리고, 상부 파우치(310)와 하부 파우치(320)는, 파우치 외장 부재를 밀봉하기 위해 상기 상하부 파우치 외주면에 상기 전극 조립체 수납부(500)에서 연장되어 일정 폭을 갖는 실링부(S)를 구비하고 형성되고, 상기 상하부 파우치의 실링부(S)를 실링툴(700)로 압착하여 융점이 낮은 내부 실란트층을 상호 접착시켜 파우치 외장 부재를 밀봉한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 파우치 외장 부재(300)에있어서, 상기 상부 파우치와 하부 파우치의 실링부 사이에는 보강 실란트 부재(400)가 더 개재될 수 있다.
앞서 도 2에 대해 설명한 바와 같이 파우치 외장 부재에 형성되는 절곡부 중 전극 조립체 수납부와 실링부의 경계(b1)는 전지 외측을 향해 구부러지므로 내부 실란트층에 인장 응력이 발생하게 되어 외부 충격에 의한 미세 크랙 발생 경향이 증가하게 된다. 특히 이 부분에 전해액 주액구가 마련되는 경우에는 전해액 주액시 실링부에 전해액이 묻거나 전해액 주액구의 실링 전 진공 공정에서 기화된 전해액이 주액구 주변의 실링부로 확산되는 경우 이 부분의 실링부에서 전해액과의 교착 결합에 의한 결함 발생의 가능성이 더욱 증가하게 된다.
파우치 외장 부재의 실링부에서 발생할 수 있는 상기 문제점을 방지하기 위해 내부 실란트층의 두께를 두껍게 형성하는 경우 소요되는 실란트의 양이 증가된다. 또한, 파우치 외장 부재의 두께의 증가로 인해 박형 전지의 제조가 어려우며 특히, 다수의 단위 전지를 포함하는 전지 모듈이나 배터리팩의 경우 부피가 증가하게 되므로 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서, 상기 보강 실란트 부재(400)는 파우치 외장 부재(300)의 외주면측에 형성된 실링부(S)에 부가될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 파우치 외장 부재에 있어서 보강 실란트 부재가 부가되는 다양한 형태를 예시하고 있는 것이다. 바람직한 일 실시양태에 따르면 본 발명의 파우치 외장 부재는 상기 보강 실란트 부재가 전해액 주액구가 마련되는 외주면측 실링부에 부가되는 것이다(도 5a). 전해액 주액구가 마련되는 외주면측은 디개싱을 위해 개봉되고 다시 재실링이 수행되는 부분으로 이 부분에 위치하는 실링부는 개봉시 변형에 의한 충격이 가해질 수 있고 전해액에 의한 교착 실링 가능성이 높아 내부 실란트층에 쉽게 결합이 발생할 수 있다. 따라서 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 파우치 외장 부재는 상기 보강 실란트 부재가 전해액 주액구가 마련되는 외주면측 및/또는 디개싱을 위한 개봉 및 재실링이 수행되는 외주면측의 실링부에 부가되는 것이다.
상기 도 5a를 참조하여 상기 보강 실란트 부재를 더욱 상세하게 설명하면, 상기 보강 실란트 부재는 고분자 필름으로 구체적으로는 소정의 폭을 갖는 고분자 테이프 형상으로 준비될 수 있다. 또한, 상기 고분자 필름은 파우치 외장 부재의 실링 공정 전에 내측 실란트층 위에서 위치를 고정하기 위한 목적으로 보강 실란트 부재의 일측면에 점착층을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 보강 실란트 부재는 실링부와 전극 조립체 수납부의 경계를 따라 선형으로 배치될 수 있다. 그리고, 상기 보강 실란트 부재는 이의 일측 길이 단부가 실링부와 전극 조립체 수납부의 경계에 접하거나 상기 보강 실란트 부재에 의해 상기 경계가 오버랩되는 방식으로 배치된다.
상기 보강 실란트 부재의 폭은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 본 발명의구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 보강 실란트 부재의 폭(Wa)은 실링부(S)의 폭(Wa)과 동일하거나 그 이하인 것이 바람직하며, 최소 폭은 실링부(S)폭의 1/4 이상 또는 1/3 이상 또는 1/2 이상인 것이다.
본 발명에 있어서, 보강 실란트 부재(400)는 상부 파우치 및/또는 하부 파우치의 실링부의 내부 실란트층의 표면에 배치될 수 있다. 본 명세서에서 보강 실란트 부재가 주로 하부 파우치에 배치되는 실시형태를 예시하여 설명하였으나 특별히 이에 한정되는 것은 아니며 상기 상부 파우치에 배치될 수 있다. 즉, 본 명세서에서 상하, 좌우, 앞뒤, 정면/배면, 내외 등과 같이 위치 또는 방향을 나타내는 용어는 절대적인 것이 아니라 발명의 구성하는 각 구성요소에 대하여 상대적인 위치를 나타낸다.
또한, 상기 보강 실란트 부재는 파우치 외장 부재의 양 측면에 부가되거나(도 5b), 또는 4면의 전체 외주면에 부가될 수 있다(도 5c).
본 발명에 있어서, 상기 보강 실란트 부재는 바람직하게는 열융착성 실란트이다. 상기 열융착성 실란트는 가열에 의해 봉합이 가능한 고분자 수지로서 이의 비제한적인 예로는 폴리올레핀계, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, CPP 변성 프로필렌계, 폴리부틸렌계, 폴리틸렌코폴리머, 프로필렌코폴리머, 폴리에스테르계, 폴리아마이드계, 폴리카보네이트계, 불소계, 실리콘계, 변성 실리콘계, 아크릴계, 에폭시계, 폴리설파이드계, 폴리우레탄계, 에틸렌-프로필렌-다이엔-모노머 러버(EPDM) 및 이들의 혼합물로 이루어진 고분자 수지 등이 있으나 특별히 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 전술한 특징을 갖는 파우치 외장 부재를 포함하는 이차 전지에 대한 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 본 이차 전지는 파우치 전지 내부의 내측 실링부 단부(Si)가 상기 보강 실란트 부재의 용융물에 의해 피복된 내측 피복부(410)를 갖는다. 상기 내측 피복부(410)는 실링부의 가열 압착에 의해 용융된 보강 실란트 부재(400’)가 내측 실링부 단부로 용출되어 형성되는 것이다. 본 발명에 있어서, 상기 내측 실링부 단부(Si)는 상하부 파우치의 내부 실란트층(313, 323)이 서로 맞닿아 열융착된 실링부의 양측 말단부 중 전지 내측에 위치하는 것이며, 상기 내측 실링부 단부는 실링부와 전극 조립체 수납부의 경계선상에 위치할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 상하부 파우치의 실링부가 실링툴(700)에 의해 융착되는 과정을 예시적으로 나타낸 것이다. 상기 실링툴(700)은 실링부의 상면을 하향 가압하는 상부 실링툴(710)과 실링부의 하면을 지지하는 하부 실링툴(720)을 포함한다.
외장 파우치 부재의 밀봉은 상기 하부 실링툴(720)이 실링부의 하면을 지지한 상태에서 상부 실링툴(710)이 상면을 하향 가압하여 실링부의 열융착 과정 을 통해 이루어지는데 이 때 상하부 파우치의 실링부 사이에 배치된 보강 실란트 부재가 적어도 부분적으로 용융되어 이 중 일부가 전극 수납부 쪽으로 배출되고 배출된 형상대로 고화되어 내측 피복부(410)가 형성된다. 본 발명의 일 측면에 있어서, 실질적으로는 상기 내측 피복부는 보강 실란트 부재의 용융물 뿐만 아니라 실질적으로 상하부 파우치의 내부 실란트층의 용융물이 혼합되어 있을 수 있다.
도 6a를 참조하면, 상하부 파우치의 실링부 중간에 보강 실란트 부재가 개재되어 있어 가압 전에는 상하부 파우치 실링부가 상기 실란트 부재의 두께만큼 이격되어 있다가 실링툴에 의한 가열 가압에 의해 이격된 틈이 점차 협소해지고 최종적으로는 상하부 파우치의 내부 실란트층 맞닿으면서 융착된다. 이때 가열 가압에 의해 용융된 보강 실란트 부재(400')는 도 6b에 예시된 바와 같이 실링부의 외측 단부 방향 및 내측 단부 방향으로 확산되며 이의 일부가 내측 실링부 단부 외부로 배출되어 상하부 파우치의 내부 융착 단면을 피복하는 내측 피복부를 형성한다.
도 7은 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지의 내부 단면을 개략적으로 도식화한 것으로서, 상기 전지 내부의 내측 실링 단부가 보강 실란트 부재의 용융물에 의해 피복되어 있는 것을 나타내었다.
도 8은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 파우치형 이차 전지를 제조하는 순서도이고, 도 9는 파우치형 이차 전지의 제조 공정을 도식화하여 나타낸 것이다. 다음으로 이를 참조하여 본 발명의 파우치형 이차 전지를 제조하는 방법을 상세하게 설명한다.
우선, 시트(sheet) 형상의 상부 파우치용 필름 및 하부 파우치용 필름을 준비하고 상기 상하부 파우치용 필름의 내측면을 함몰시켜 전극 조립체 수납부가 형성된 상하부 파우치를 준비한다. 상기와 같이 준비된 상하부 파우치를 파우치 외장 부재로 사용하고 상기 파우치 외장 부재에 전극 조립체를 수납한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 단계에서 파우치 외장 부재는 외주면의 적어도 일측면에 전극 조립체 수납부로부터 전극 조립체의 폭(Wb)의 반폭 내지 한폭 정도의 폭(Wb)을 갖는 영역인 가실링부를 포함하여 준비되며, 상기 가실링부는 디개싱 및 2차 밀봉 이후 절단되어 제거되는 것이다. 다음으로 상기 파우치 외장 부재의 일측 외주면에 형성된 실링부에 전해액 주액구를 마련하고 상기 전해액 주액구가 마련된 외주면측을 제외한 실링부를 열융착하여 실링한다. 상기 전해액 주액구는 전극 탭이 인출되지 않는 외주면측에 형성되며 바람직하게는 상기 가실링부는 이 부분에 위치하는 것이다.
다음으로 전해액 주액구를 통해 파우치 외장 부재에 전해액을 주액하고 주액이 종료되면 주액구가 마련된 외주면측의 가실링부를 열융착하여 상기 파우치 외장 부재를 1차 밀봉한다.
이렇게 1차 밀봉된 이차 전지는 소정 횟수로 충방전이 수행되어 활성화된다. 이후 상기 가실링부의 적어도 일부를 개봉하여 디개싱한 후, 개봉된 외주면측에서 전극 조립체의 수납부와 근접하여 마련된 실링부를 실링하고 최종적으로 크기에 맞게 절단한다.
이때 보강 실란트 부재는 상기 상하부 파우치 필름에 전극 조립체 수납부를 형성하기 전이나, 파우치 외장 부재에 전지를 수납하기 전, 주액구가 마련된 외주면측을 제외한 실링부를 열융착 하기 전, 전해액을 주액하기 전, 파우치 외장 부재의 1차 밀봉 전 및 파우치 외장 부재의 2차 밀봉 전에 외주면측의 소정 실링부에 부가될 있다. 상기 보강 실란트 부재의 부가 위치는 전술한 내용을 참조한다.
바람직하게는 상기 보강 실란트 부재는 상기 상하부 파우치에 전극 조립체 수납부를 형성하기 전에 전극 조립체 수납부 및 보강 실란트 부재 부착 위치를 설정하여 소정의 위치에 보강 실란트 부재를 부착하고 전극 조립체 수납부를 형성하는 것이다.
상기 파우치 외장 부재에 부가된 보강 실란트 부재는 실링툴에 의해 실링부가 가열 및 가압될 때 내부 실란트층과 함께 용융되어 상하부 파우치의 사이의 틈에서 전극 조립체 수납부 방향으로 배출되어 내측 실링 단부를 보호하는 내측 피복부를 형성한다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 상하부 파우치의 외부 절연층(311, 321)은, 이차 전지와 외부와의 절연성을 확보하기 위한 것으로서, 절연 특성을 갖는 동시에 전해액에 대한 비반응성 소재이면 특별히 제한되지 않는다. 이러한 특성을 만족하는 소재로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET), 나일론, 염화 비닐, 폴리이미드, 폴리페닐렌설파이드 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET) 또는 나일론 또는 이 둘의 혼합물을 포함하는 것이다.
또한, 상기 금속박 배리어층(312, 322)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn) 및 이 중 둘 이상을 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함할 수 있으나 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속층은 상기 금속 중 바람직하게는 알루미늄인 것이다.
그리고, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 내부 실란트층(313, 323)은 상부 파우치(310)와 하부 파우치(320)의 실링 시, 상호간 접착되어 파우치 외장 부재의 밀봉을 확보한다. 상기 내부 실란트층은 열융착에 의한 상호간 결착을 달성할 수 있는 열융착성 고분자 수지를 포함한다. 상기 열융착성 고분자 수지는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE) 수지, 폴리프로필렌(poly propylene, PP) 수지, 이들의 랜덤 공중합체, 프로필렌, 부틸렌 및 에틸렌의 삼원 공중합체 등의 폴리올레핀 수지를 1종 이상 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 내부 실란트층은 폴리프로필렌계 단독 중합체, 폴리프로필렌계 공중합체 및 연신 폴리프로필렌(casted polypropylene, cPP)과 같은 폴리프로필렌계 수지를 1종 이상 포함한다. 그러나 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체(200)는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성된다. 이때, 전극 조립체(200)는 하나의 양극판 및 하나의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 권취된 구조를 갖거나, 다수의 양극판 및 다수의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 구조를 가질 수 있다. 그리고, 이러한 양극판과 음극판은 각각 전극 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성될 수 있는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.
한편, 전극 조립체(200)에는, 전극판에 슬러리가 도포되지 않은 무지부가 존재할 수 있으며, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭이 구비될 수 있다. 즉, 전극 조립체(200)의 양극판에는 양극 탭(210)이 부착되고, 전극 조립체(200)의 음극판에는 음극 탭(220)이 부착될 수 있다. 그리고, 이러한 양극 탭(210)과 음극 탭(220)은, 파우치 외장 부재(300)의 외부로 돌출되어 양극 단자 및 음극 단자를 형성할 수 있다. 다만, 이러한 양극 탭(210) 및 음극 탭(220)은 파우치 외장 부재(300)의 외부로 직접 노출되지 않고, 양극 리드(미도시) 및 음극 리드(미도시)와 같은 다른 구성요소에 연결되어, 이러한 양극 리드 및 음극 리드가 파우치 외장 부재(300)의 외부로 인출되도록 할 수도 있다.
본 발명에 따른 이차 전지는 바람직하게는 리튬 이차 전지일 수 있다. 또한 본 발명은 상기 이차 전지를 단위 전지로서 포함하고 있는 배터리 팩 또는 중대형 전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 이차 전지는 특히, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 고출력의 대용량의 전지, 또는 이러한 전지를 단위전지로서 다수 개 포함하는 중대형 전지 모듈에 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 전지 모듈은 예를 들어 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기 자동차, 전기 오토바이, 전기 자전거 등의 동력원으로 사용될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 배터리 팩은 이차 전지 이외에도, BMS(Battery Management System)와 같은 이차 전지의 충방전을 제어하기 위한 여러 보호 장치들을 더 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
15, 150 : 전해액 100: 이차 전지
300: 파우치 외장 부재 310: 상부 파우치
320: 하부 파우치 200: 전극 조립체
210: 양극 탭 220: 음극 탭
300: 금속 보강 테이프 부재 311, 321: 외부 절연층
전극 조립체 수납부(500) 312, 322: 금속박 배리어층
313, 323: 내부 실란트층 400: 보강 실란트 부재
410: 내측 피복부 500: 전극 조립체 수납부
400': 용융 실란트 부재 S: 실링부
700: 실링툴
300: 파우치 외장 부재 310: 상부 파우치
320: 하부 파우치 200: 전극 조립체
210: 양극 탭 220: 음극 탭
300: 금속 보강 테이프 부재 311, 321: 외부 절연층
전극 조립체 수납부(500) 312, 322: 금속박 배리어층
313, 323: 내부 실란트층 400: 보강 실란트 부재
410: 내측 피복부 500: 전극 조립체 수납부
400': 용융 실란트 부재 S: 실링부
700: 실링툴
Claims (16)
- 상부 파우치와 하부 파우치를 포함하며,
상기 상부 파우치 및 하부 파우치는 각각 외부 절연층, 금속박 배리어층 및내부 실란트층이 순착적으로 적층되어 형성된 라미네이트 시트이며,
여기에서 상기 상부 파우치와 하부 파우치는 각 파우치의 내측면이 만입되어 전극 조립체를 수납할 수 있는 내부 공간인 전극 조립체 수납부 및 외주면에 상기 전극 조립체 수납부에서 연장되고 일정한 폭을 갖는 실링부가 형성되며,
상기 상부 파우치 및/또는 상기 하부 파우치의 실링부의 내부 실란트층에 보강 실란트 부재가 부가되어 실링부가 열융착되어 밀봉되는 것인, 이차 전지용 파우치 외장 부재.
- 제1항에 있어서,
상기 보강 실란트 부재는 전해액 주액구가 마련되는 외주면측의 실링부; 및/또는 디개싱을 위한 개봉부 및/또는 재실링부가 마련되는 외주면측의 실링부;에 부가되는 것인, 이차 전지용 파우치 외장 부재.
- 제1항에 있어서,
상기 보강 실란트 부재는 실링부를 따라 전극 조립체 수납부에 접하도록 부가되는 것인, 이차 전지용 파우치 외장 부재.
- 제1항에 있어서,
상기 외부 절연층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET), 나일론, 염화 비닐, 폴리이미드, 폴리페닐렌설파이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 이차 전지용 파우치 외장 부재.
- 제1항에 있어서,
상기 금속박 배리어층은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn) 및 이 중 둘 이상을 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 이차 전지용 파우치 외장 부재.
- 제1항에 있어서,
상기 내부 실란트층은 폴리에틸렌(poly ethylene, PE) 수지, 폴리프로필렌(poly propylene, PP) 수지, 이들의 랜덤 공중합체, 프로필렌, 부틸렌 및 에틸렌의 삼원 공중합체, 폴리프로필렌계 단독 중합체, 폴리프로필렌계 공중합체 및 연신 폴리프로필렌(casted polypropylene, cPP)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 이차 전지용 파우치 외장 부재.
- 제1항에 있어서,
상기 보강 실란트 부재는 폴리올레핀계, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, CPP 변성 프로필렌계, 폴리부틸렌계, 폴리틸렌코폴리머, 프로필렌코폴리머, 폴리에스테르계, 폴리아마이드계, 폴리카보네이트계, 불소계, 실리콘계, 변성 실리콘계, 아크릴계, 에폭시계, 폴리설파이드계, 폴리우레탄계, 에틸렌-프로필렌-다이엔-모노머 러버(EPDM) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인, 이차 전지용 파우치 외장 부재.
- 제1항에 있어서,
상기 보강 실란트 부재의 폭은 실링부 폭 대비 1/2 이하인 것인, 이차 전지용 파우치 외장 부재.
- 제1항에 있어서,
상부 및 하부 파우치의 실링부에 가하여지는 가열 및 가압에 의해 상기 보강 실란트 부재가 적어도 부분적으로 용융되어 상부 및 하부 실링부 사이의 틈에서 전지 내부 방향으로 돌출되어 상부 및 하부 실링부의 접합 경계가 전해액에 노출되지 않는 것인, 이차 전지용 파우치 외장 부재.
- 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층되어 있는 전극 조립체;
상기 전극 조립체로부터 연장되는 전극 탭; 및
상부 파우치 및 하부 파우치를 포함하고 상기 파우치 및 하부 파우치 사이에 상기 전극 조립체를 수납하는 파우치 외장 부재를 포함하는 이차 전지이며,
여기에서 파우치 외장 부재는 제1항에 따른 파우치 외장 부재이며,
상기 전극 조립체 수납부 방향으로 유출되어 형성된 보강 실란트 부재의 내측 보호부에 의해 전지 내측 실링부 단부가 피복되어 전해액에 노출되지 않는 것인, 파우치형 이차 전지.
- 제10항에 있어서,
상기 상부 파우치와 하부 파우치의 접합 경계는 디개싱을 위한 개봉부 및/또는 재실링부가 마련되는 외주면측의 접합 경계인 것인, 파우치형 이차 전지.
- 제10항에 있어서,
상기 상부 파우치와 하부 파우치의 접합 경계는 상부 및/또는 하부 파우치에서 전지의 외측 방향으로 절곡된 부분을 따라 형성되는 것인, 파우치형 이차 전지.
- (S1) 시트(sheet) 형상의 상하부 파우치용 필름에 전극 조립체 수납부를 형성하여 파우치 외장 부재를 준비하는 단계;
(S2) 상기 파우치 외장 부재에 전극 조립체를 수납하는 단계;
(S3) 상기 파우치 외장 부재에 전해액 주액구를 마련하고 상기 주액구를 제외한 실링부를 열융착하는 단계;
(S4) 상기 파우치 외장 부재에 전해액을 주액하는 단계;
(S5) 상기 파우치 외장 부재를 열융착하여 1차 밀봉하는 단계;
(S6) 초회 충방전을 수행하는 단계;
(S7) 상기 1차 밀봉된 실링부의 적어도 일부를 개봉하여 디개싱하는 단계; 및
(S8) 상기 파우치 외장 부재를 2차 밀봉하는 단계;
상기 (S1), (S2), (S3), (S4), (S5) 및 (S8) 중 어느 하나의 단계를 수행하기 전 상부 파우치와 하부 파우치의 실링부 사이에 보강 실란트 부재를 부가하는 것인, 파우치형 이차 전지 제조 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 보강 실란트 부재는 전해액 주액구가 마련된 외주면측에 형성되는 것인, 파우치형 이차 전지 제조 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 보강 실란트 부재는 (S1), (S2) 또는 (S3) 단계를 수행하기 전에 수행되며, 파우치 외장 부재의 외주면측 전부에 형성되는 것인, 파우치형 이차 전지 제조 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 (S8) 단계는 파우치 외장 부재의 외주면측에 형성된 실링부를 실링툴에 의해 가열 및 가압하여 상부 파우치 및/또는 하부 파우치에 부가된 보강 실란트 부재를 적어도 일부 용융시켜 상부 파우치와 하부 파우치의 사이의 틈에서 전극 조립체 수납부 방향으로 유출되어 보강 실란트 부재에 의한 돌출부가 형성되는 것인, 파우치형 이차 전지 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020140192921A KR20160080559A (ko) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | 실링부가 보강된 파우치형 이차 전지 및 이의 제조 방법 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20190133402A (ko) | 2018-05-23 | 2019-12-03 | 주식회사 엘지화학 | 보형부재를 포함하는 전지셀 |
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| CN112751109A (zh) * | 2019-10-29 | 2021-05-04 | Sk新技术株式会社 | 袋型二次电池 |
| KR20230013612A (ko) | 2021-07-19 | 2023-01-26 | 에스케이온 주식회사 | 전지셀의 벤팅지연장치 |
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| WO2024035099A1 (ko) * | 2022-08-09 | 2024-02-15 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 전지 캔의 주액구 실링 구조, 이를 적용한 배터리 셀, 배터리 팩 및 자동차 |
-
2014
- 2014-12-30 KR KR1020140192921A patent/KR20160080559A/ko not_active Application Discontinuation
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