KR20170068332A

KR20170068332A - 파우치형 이차 전지 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20170068332A
Application number: KR1020150175394A
Authority: KR
Inventors: 황수지; 정상석; 유형균; 한형석; 팽기훈; 이지훈; 강민형
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-06-19
Anticipated expiration: 2035-12-09
Also published as: KR102029387B1

Abstract

본 발명은 파우치형 이차 전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 전극 조립체, 및 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막을 포함하는 파우치형 이차 전지에 있어서, 상기 파우치형 이차 전지는 상기 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막 사이에 상기 전극 조립체를 수납하는 수용부 및 상기 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막이 서로 밀착되는 실링부를 포함하고, 상기 실링부의 적어도 일부는 가스 배출을 유도하는 벤팅부를 포함하며, 상기 벤팅부는 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막 사이에 비전도성 물질을 포함하는 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 벤팅부를 구비하므로 특정 상황에서 파우치형 이차 전지 내부에 가스가 발생하는 경우, 벤팅부로만 가스의 배출을 유도할 수 있으므로, 가스 발생 문제를 빠르게 해소하여 파열이나 폭발을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다. 나아가, 상기 벤팅부 내의 비전도성 물질은, 절연성에 영향을 미치지 않는 물질들로 구성되므로, 파우치 막 내의 금속 부분과 이차 전지의 내부 및 외부 구성요소와의 전기적 절연성을 확보할 수 있다.

Description

파우치형 이차 전지 및 이의 제조방법{SECONDARY BATTERY IN POUCH TYPE AND METHOD FOR MANUFACTURING OF THE SAME}

본 발명은 파우치형 이차 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성이 우수한 리튬 코발트 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

이러한 이차전지에서 주요 연구과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 일반적으로, 리튬 이차 전지는 내부 단락, 허용된 전류나 전압을 초과한 충전상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격 등과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발을 초래할 수 있다.

그러한 하나의 경우로서, 파우치형 이차전지는 낙하 또는 외력의 작용 등과 같은 충격시 내부 단락이 발생할 가능성이 존재한다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로도 주목받고 있다.

자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 시스템이 사용된다. 그러한 중대형 전지 시스템에 단위전지로서 많이 사용되는 파우치형 리튬이온 폴리머 이차전지는 소형 디바이스에 사용되는 동일 계열의 전지에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지고 있다.

통상 파우치형 폴리머 이차전지는 전극조립체, 상기 전극조립체로부터 연장되는 전극 탭들과, 상기 전극 탭들에 용접되어 있는 전극리드 및 상기 전극 조립체를 수용하며, 고분자 수지와 알루미늄의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 외장재를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

상기 파우치형 전지는, 특정 상황에서 폭발하지 않고, 가스가 배출되는 벤팅이 일어난다는 것을 하나의 장점으로 꼽을 수 있다. 그러나, 가스 배출이 예상치 못한 부분에서 일어나기 때문에 문제가 될 수 있다. 만약, 가스를 한 방향이 아니라 팩 내부에서 여러 방향에서 벤트되면 가스를 외부로 쉽게 배출하지 못할 수도 있고, 이렇게 되면 전지 내부에 가스 발생시 좀 더 빠르게 내부 가스를 배출해야 안전성 확보를 가져올 수 있는데, 기존의 전지는 가스가 벤트되는 시간이 길어지게 되어 안전성이 크게 떨어질 가능성이 크다.

따라서, 전지는 내압이 일정수준 이상이 될 경우에 이를 빠르게 해소하여 파열이나 폭발을 미연에 방지할 수 있는 파우치형 이차 전지의 필요성이 높은 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-0959090호

본 발명의 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는, 파우치형 이차 전지의 실링부가 가스 발생 상황에서 일정한 부분에만 벤팅될 수 있도록 실링부에 비전도성 물질을 포함시킨 파우치형 이차 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는, 상기 파우치형 이차 전지의 제조방법, 및 상기 파우치형 이차 전지를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전극 조립체, 및 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막을 포함하는 파우치형 이차 전지에 있어서, 상기 파우치형 이차 전지는 상기 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막 사이에 상기 전극 조립체를 수납하는 수용부 및 상기 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막이 서로 밀착되는 실링부를 포함하고, 상기 실링부의 적어도 일부는 가스 배출을 유도하는 벤팅부를 포함하며, 상기 벤팅부는 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막 사이에 비전도성 물질을 포함하는 파우치형 이차 전지를 제공한다.

또한, 본 발명은 파우치형 이차 전지의 실링부 상에 벤팅부를 결정하는 단계(단계 1); 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 적어도 1 이상에, 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에 비전도성 물질을 위치시키는 단계(단계 2); 및 상기 실링부를 밀봉하는 단계(단계 3);을 포함하는 파우치형 이차 전지의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 벤팅부를 구비하므로 특정 상황에서 파우치형 이차 전지 내부에 가스가 발생하는 경우, 벤팅부로만 가스의 배출을 유도할 수 있으므로, 가스 발생 문제를 빠르게 해소하여 파열이나 폭발을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

나아가, 상기 벤팅부 내의 비전도성 물질은, 절연성에 영향을 미치지 않는 물질들로 구성되므로, 파우치 막 내의 금속 부분과 이차 전지의 내부 및 외부 구성요소와의 전기적 절연성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막이 밀착되는 면의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막이 밀착되는 면의 단면도이다.
도 4는 실시예 2, 실시예 3, 및 비교예 1에서 제조된 시편의 실링 테스트 후를 육안으로 관찰한 사진이다.
도 5는 실시예 2, 실시예 3, 및 비교예 1에서 제조된 시편의 실링 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 2, 실시예 3, 및 비교예 1에서 제조된 시편의 제조방법 및 실링 강도 측정의 일 실시예를 나타낸 사진이다.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 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.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 전극 조립체(100), 및 상부 파우치 막(200) 및 하부 파우치 막(300)을 포함하는 파우치형 이차 전지(10)에 있어서, 상기 파우치형 이차 전지(10)는 상기 상부 파우치 막(200) 및 하부 파우치 막(300) 사이에 상기 전극 조립체(100)를 수납하는 수용부(500) 및 상기 상부 파우치 막(200) 및 하부 파우치 막(300)이 서로 밀착되는 실링부(600)를 포함하고, 상기 실링부(600)의 적어도 일부는 가스 배출을 유도하는 벤팅부(700)를 포함하며, 상기 벤팅부(700)는 상부 파우치 막(200) 및 하부 파우치 막(300) 사이에 비전도성 물질(800)을 포함할 수 있다.

종래에는, 특정 상황에서 파우치형 이차 전지 내부에 가스가 발생하는 경우, 파우치의 실링부 중 예상치 못한 부분에서 가스 배출이 일어나고, 이때 한 방향이 아니라 여러 방향에서 동시에 가스 배출이 일어날 수 있으므로, 전체적으로 가스 배출되는 시간이 길어져서, 이차 전지의 안정성에 문제가 되었다.

그러나, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 실링부에 비전도성 물질을 포함하는 벤팅부를 구비하므로 특정 상황에서 파우치형 이차 전지 내부에 가스가 발생하는 경우, 벤팅부로 가스의 배출을 유도할 수 있으므로, 가스 발생 문제를 빠르게 해소하여 파열이나 폭발을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

상기 파우치형 이차 전지(10)는 수용부(500)를 포함할 수 있다. 상기 수용부(500)는 상기 전극 조립체(100)의 일부가 상부 파우치 막(200) 및 하우 파우치 막(300) 사이에 수납된 곳을 의미할 수 있다. 상기 수용부(500)에는, 전극 조립체(100)의 일부 외에 전해액을 더 수용할 수 있고, 상기 실링부(600)에 의하여 수용부(500)의 내부 공간이 밀폐될 수 있다. 여기서, 전극 조립체(100)란, 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막, 상기 양극 내의 집전체 및 상기 음극 내의 집전체로부터 연장된 전극 탭(400)을 의미하며, 상기 수용부(500) 내에 포함된 전극 조립체(100)의 일부란, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 부분과 전극 탭(400)의 일부를 의미할 수 있다.

상기 파우치형 이차 전지(10)는 실링부(600)를 포함할 수 있다. 상기 실링부(600)는 상기 상부 파우치 막(200) 및 하부 파우치 막(300)이 서로 밀착된 부분을 의미하며, 이에 의해 수용부(500)의 내부 공간이 밀폐되어 전극 조립체(100)의 일부 및 전해액을 외부와 차단시킨다. 상기 실링부(600)는 상부 파우치 막(200) 및 하부 파우치 막(300)의 외주면에 위치할 수 있다.

이때, 상기 실링부(600)의 적어도 일부는 가스 배출을 유도하는 벤팅부(700)를 포함할 수 있다.

이차 전지의 사용 중, 이차 전지 내부에서 가스가 발생할 수 있는데, 이 경우 이차 전지의 내부 압력이 증가하여 스웰링(swelling) 현상이 일어날 수 있다.

이러한 가스 발생은, 과충전이나 과방전, 단락, 고온 방치 등과 같이 다양한 원인에 의해 발생할 수 있는데, 이로 인해 이차 전지가 손상되는 것은 물론, 폭발이나 발화 등으로까지 이어질 수 있어 더욱 문제가 된다. 또한, 종래에 이차 전지의 내부에서 가스가 발생하여 파우치의 실링부가 파손되면서 가스가 외부로 유출될 수 있는데, 이러한 실링부의 파손 부위는 다양하게 존재할 수 있어 가스가 어느 방향으로 유출될지 예측이 어렵다.

그러나, 본 발명에서는 가스 배출을 유도하는 벤팅부(700)를 포함하여, 실링부(600) 중에서도 상기 벤팅부(700)와 같이 특정 부위가 개방되어 이차 전지 내부에서 발생된 가스가 안전한 유출 경로로 배출되도록 할 수 있다. 상기 벤팅부(700)는 실링부(600) 중에 형성될 수 있다.

구체적으로는, 도 2 및 도 3에서와 같이, 상기 벤팅부(700)는, 전극 조립체(100)의 일부인 전극 탭(400)을 포함하는 실링부(600)의 일 변을 제외한 나머지 변 중에, 1 개가 형성될 수 있다.

전극 탭(400)이 위치하지 않은 일 변에 벤팅부(700)를 형성하면, 벤팅부(700)를 형성시킬 수 있는 공간이 넓어져 비전도성 물질을 위치시키기가 용이하며, 실링부(600)에 포함된 전극 탭(400)으로 인해 벤팅이 일어나는 내부 압력 조건에 미세한 영향을 줄 수 있는 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 상기 벤팅부(700)는 실링부(600) 내에 1 개로 형성됨으로써, 벤팅이 발생하는 내부 압력을 더욱 용이하게 조절할 수 있다.

그러나, 상기 벤팅부(700)의 형성 위치 및 개수가 상기한 바에 의해 제한되는 것은 아니다.

상기 벤팅부(700)란, 비전도성 물질(800)이 존재하는 부분을 의미할 수 있다. 보다 구체적으로는 도 2에 나타낸 바와 같이, 비전도성 물질(800)의 군집 중에서, 상기 실링부의 외부선(610) 및 실링부의 내부선(620)에 평행한 방향을 기준으로, 상기 비전도성 물질(800)의 군집의 최외곽에 위치한 비전도성 물질(800)과, 상기 최외곽의 비전도성 물질(810, 820)과 가장 인접한 실링부의 외부선(610) 상의 점, 상기 최외곽의 비전도성 물질(810, 820)과 가장 인접한 실링부의 내부선(620) 상의 점을 잇는 두 개의 직선과, 상기 실링부의 외부선(610) 및 실링부의 내부선(620)이 이루는 도형의 형태일 수 있다.

상기 벤팅부(700)는 상부 파우치 막(200) 및 하부 파우치 막(300) 사이에 비전도성 물질(800)을 포함하기 때문에, 벤팅부(700)가 아닌 실링부(600)에 비해 상부 파우치 막(200) 및 하부 파우치 막(300)이 직접 맞닿아 접착하는 면적이 적으므로, 실링부(600) 중에서도 특히 약한 접착력을 가질 수 있다. 따라서, 이차 전지 내부에서 발생된 가스로 인해, 수용부(500)의 압력이 증가하였을 때 접착력이 낮은 상기 벤팅부(700)가 가장 먼저 개방될 수 있고, 상기 벤팅부(700)로 가스 배출이 집중되므로 보다 빠르게 내부 가스를 배출시킬 수 있다.

상기 벤팅부(700)의 면적은 상기 실링부(600)의 면적에 대하여 20 % 내지 50 %일 수 있다. 하기 벤팅부가 상기 실링부의 20 % 미만인 경우에는 가스 배출이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있고, 50 % 초과인 경우에는 수용부(500) 내부의 전해액 등이 과도하게 배출될 수 있는 문제점이 발생할 수 있다. 이때, 상기 실링부의 면적이란, 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막이 맞닿은 면의 면적을 의미하며, 상기 벤팅부의 면적이란, 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막이 맞닿은 면 중, 벤팅부에 해당되는 부분의 면적을 의미한다.

이때, 상기 비전도성 물질(800)은, 상기 벤팅부(700)의 총 면적에 대하여 30 % 내지 70 %로 포함될 수 있다. 이때, 상기 비전도성 물질의 면적은 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막이 맞닿은 면을 단면으로 하였을 때, 비전도성 물질이 차지하는 면적을 의미한다.

만약, 상기 비전도성 물질이 차지하는 면적이 벤팅부의 총 면적에 대하여 30 % 미만인 경우에는 벤팅부의 접착력이 벤팅부가 아닌 실링부와 유사하기 때문에 실제로 가스가 배출되어야 할 상황에 벤팅부가 개방되지 않는 문제점이 발생할 수 있고, 70 % 초과인 경우에는 접착력이 과도하게 낮아져 전지 내부가 위험 압력의 수준이 아님에도 개방되는 문제점이 발생할 수 있다.

일례로, 상기 비전도성 물질이 상기 벤팅부의 총 면적에 대하여 30 % 내지 70 %로 포함되는 경우, 상기 파우치형 이차 전지의 벤팅이 일어나는 내부 압력은 0.4 N/mm² 내지 0.7 N/mm²일 수 있다. 이와 같이, 벤팅부의 면적에 대해 비전도성 물질이 포함되는 양을 조절함으로써 벤팅이 발생하는 내부 압력을 조절할 수 있다.

상기 비전도성 물질(800)은 비전도성 카본, 유분 및 나노 세라믹 파티클로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.

상기 벤팅부 내의 비전도성 물질은, 절연성에 영향을 미치지 않는 물질들로 구성되므로, 파우치 막 내의 금속 부분과 이차 전지의 내부 및 외부 구성요소와의 전기적 절연성을 확보할 수 있다.

한편, 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 1 이상은, 전극 조립체와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막, 그 중에서도 특히 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성된다. 그리고, 이러한 알루미늄 박막은 전극 조립체 및 전해액과 같은 이차 전지 내부의 구성요소나 이차 전지 외부의 다른 구성요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층 사이에 개재된다.

따라서, 상기 벤팅부(700) 내의 비전도성 물질(800)은 상부 파우치 막(200) 및 하부 파우치 막(300)이 밀착하는 부분인 실링부(600)에 존재할 수 있고, 구체적으로 상부 파우치 막(200)의 절연층과 하부 파우치 막(300)의 절연층의 사이에 존재할 수 있다.

따라서, 실링부(600)의 특정 부분에 벤팅을 유도하기 위해 비전도성 물질(800)을 삽입하더라도, 상기 비전도성 물질이 절연 물질이기 때문에, 절연층의 절연성에 영향을 미치지 않을 수 있다.

특히, 상기 비전도성 물질(800)이 비즈의 형태인 경우에, 상기 절연층에 박혀있는 형태로 존재할 수 있다. 이때, 상기 비전도성 물질의 평균직경(d50)은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛의 구형일 수 있고, 종횡비(aspect ratio, 장축의 길이/단축의 길이)는 1 내지 2인 것을 사용할 수 있다.

상기한 바와 같이 비전도성 물질이 구형일 때, 판형일 때와 대비하여 압력에 따른 벤팅의 조절이 더욱 용이한 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비전도성 물질의 평균 직경(D50)은 입자의 입경 분포의 50 % 기준에서의 입경으로 정의할 수 있다. 상기 입자의 평균 입경(D50)은 예를 들어, 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 상기 레이저 회절법은 일반적으로 서브미크론(submicron) 영역에서부터 수 mm 정도의 입경의 측정이 가능하며, 고 재현성 및 고 분해성의 결과를 얻을 수 있다.

일례로, 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 1 이상은 PET외부층/Nylon층/Al금속박층/PP내부층이 연속하여 순차적으로 적층된 것을 사용할 수 있다.

이때, 상부 파우치 막(200)의 PP내부층과 하부 파우치 막(300)의 PP내부층이 서로 밀착된 곳이 실링부(600)일 수 있고, 상기 실링부(600) 내의 벤팅부(700)에서 비전도성 물질(800)이 존재할 수 있으며, 결과적으로, PP내부층의 표면 상에 비전도성 물질(800)이 존재할 수 있다.

일례로, 상기 비전도성 물질이 비즈의 형태인 경우에는 PP내부층에 상기 비즈의 적어도 일부분이 박힌 채로 존재하는 것일 수 있다.

상기 전극 조립체(100)란, 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막, 상기 양극 내의 집전체 및 상기 음극 내의 집전체로부터 연장된 전극 탭(400)을 포함할 수 있다.

상기 양극은 양극 활물질 입자, 도전재 및 바인더를 포함하는 양극 합제를 유기 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다. 상기 음극은 상기 음극 활물질 입자, 도전재 및 바인더를 포함하는 음극 합제를 유기 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 음극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.

상기 양극 활물질은 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로 리튬 전이금속 산화물을 사용할 수 있다. 상기 리튬 전이금속 산화물로는, 예를 들면, LiCoO₂ 등의 LiㆍCo계 복합 산화물, LiNi_xCo_yMn_zO₂ 등의 LiㆍNiㆍCoㆍMn계 복합 산화물, LiNiO₂ 등의 LiㆍNi계 복합 산화물, LiMn₂O₄ 등의 LiㆍMn계 복합 산화물 등을 들 수 있고, 이들을 단독 또는 복수 개 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 음극에 사용되는 음극 활물질로는 통상적으로 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 탄소재를 사용할 수 있는데, 탄소재로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.

상기 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.

상기 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴산, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 폴리 아크릴산 (poly acrylic acid) 및 이들의 수소를 Li, Na 또는 Ca 등으로 치환된 고분자, 또는 다양한 공중합체 등의 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다.

상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 파네스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 탄소 나노 튜브 등의 도전성 튜브; 플루오로카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 분리막으로는 종래에 분리막으로 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(10)의 제조방법은 파우치형 이차 전지(10)의 실링부(600) 상에 벤팅부(700)를 결정하는 단계(단계 1); 상부 파우치 막(200) 또는 하부 파우치 막(300) 중 적어도 1 이상에, 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부(700)가 될 부분에 비전도성 물질(800)을 위치시키는 단계(단계 2); 및 상기 실링부(600)가 될 부분을 밀봉하는 단계(단계 3);를 포함할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지의 제조방법에 있어서, 단계 1은 파우치형 이차 전지의 실링부 상에 벤팅부를 결정하는 단계이다. 상기 파우치형 이차 전지는, 내부에서 가스가 발생하는 경우, 실링부 내의 벤팅부에서만 가스 배출이 일어나도록 하여 보다 빠르게 가스를 방출시킴으로써 안정성을 높일 수 있다.

상기 벤팅부를 결정하는 단계는, 어느 정도 수준의 내부 압력이 되면 벤팅부가 개방되도록 할 것인지 정하는 단계; 상기 내부 압력에 의해 벤팅부가 개방이 되려면 실링부의 몇 %를 벤팅부로 할 것인지, 벤팅부를 몇 군데로 어느 위치에 구비할 것인지, 이때, 비전도성 물질은 벤팅부의 몇 %로 도포할 것인지 정하는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로는, 도 2 및 도 3에서와 같이, 상기 벤팅부(700)는, 전극 조립체(100)의 일부인 전극 탭(400)을 포함하는 실링부(600)의 일 변을 제외한 나머지 변 중에, 1 개가 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 적어도 1 이상에, 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에 비전도성 물질을 위치시키는 단계이다.

상기 단계 2는 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 적어도 1 이상의 제조 공정 중에, 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에 비전도성 물질을 위치시킴으로써 수행될 수 있다. 일례로, 상기 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 적어도 1 이상이 PET외부층/Nylon층/Al금속박층/PP내부층이 연속하여 순차적으로 적층된 것을 사용하는 경우, PP내부층을 상기와 같은 다중층의 파우치 막으로 제조하기 전, PP 필름을 단독으로 제조할 때, 압출되어 나오는 PP필름 중에서, 특히 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에만 비전도성 물질을 도포할 수 있다.

상기 단계 2의 또 다른 방법으로, 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 적어도 1 이상에 전극 조립체를 위치시킨 후, 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에 비전도성 물질을 위치시킴으로써 수행할 수 있다. 구체적으로는, 파우치형 이차 전지의 제조방법 중에, 상부 파우치 막(또는 하부 파우치 막)에 수용부가 될 부분에 홈을 제조하고 상기 홈에 전극 조립체를 장착한 후, 상부 파우치 막(또는 하부 파우치 막)의 테두리 중에서 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에 비전도성 물질을 도포할 수 있다.

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 실링부가 될 부분을 밀봉하는 단계이다.

단계 3은, 상기 단계 2에서 벤팅부가 될 부분에 형성된 비전도성 물질이 있는 상부 파우치 막(또는 하부 파우치 막) 상에, 하부 파우치 막(상부 파우치 막)을 덮은 후, 실링부가 될 부분을 밀봉하여 실링부를 형성하는 단계이다. 상기 실링부를 형성한 후, 수용부 내로 전해액을 주입하여 파우치형 이차 전지를 제조할 수 있다.

상기 전해액은 비수계 유기용매와 금속염을 포함할 수 있다.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 금속염은 리튬염을 사용할 수 있고, 상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 파우치형 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 모듈 및 전지 팩은 우수한 안정성을 갖는 상기 이차 전지를 포함하므로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

<실시예 1> 파우치형 이차 전지의 제조

이하, 도 1 및 도 2을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명한다.

단계 1: 벤팅부의 결정

도 1 및 도 2와 같이 전극 조립체의 전극 탭이 빠져나오는 부분의 반대편에 위치한 실링부의 변의 일부를 벤팅부로 설정하였다. 상기 벤팅부는, 0.5 N/mm²의 내부 압력에 의해 개방되도록, 실링부의 면적에 대하여 16 %로 설정되었으며, 비전도성 물질은 벤팅부에 대해 50 %의 면적을 갖도록 설계되었다.

단계 2: 비전도성 물질의 도포

PET외부층/Nylon층/Al금속박층/PP내부층이 연속하여 순차적으로 적층된 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막을 준비하였다. 상기 하부 파우치 막 상(PP 내부층)에, 전극 조립체의 일부가 수용되는 수용부가 될 부분에 홈을 제조하고, 상기 홈에 전극 조립체의 일부를 장착하였다. 그 후, 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에, 평균 직경(D50) 1 ㎛의 비전도성 카본 입자가 포함된 비전도성 카본 분말 3 g을 도포하였다.

단계 3: 실링부의 제조

상기 단계 2에서 제조된 하부 파우치막 상에 수용부가 될 부분에 홈을 제조한 상부 파우치 막을 덮은 후, 180 ℃, 0.3 Mpa 압력의 히팅 지그에서 2초간 열융착 공정을 수행하여, 실링을 수행하고, 전해액을 주입한 후, 벤팅부가 형성된 파우치형 이차 전지를 제조하였다.

<실시예 2> 벤팅부가 형성된 실링부 시편 제조(도 6 참조)

폴리프로필렌(PP) 코팅층이 형성된 가로 길이 150 mm, 세로 길이 266 mm의 Al 금속박을 파우치 막으로 준비하였다. 상기 폴리프로필렌 코팅층이 형성된 Al 금속박의 코팅층 상에, 가로 길이 150 mm, 세로 길이 7 mm의 면적에 대하여 비전도성 카본 분말(평균직경(D50) 1 ㎛)을 70 %의 면적으로 도포하였다.

상기 비전도성 카본 분말이 도포된 파우치 막을, 비전도성 카본 분말이 덮어지도록 반으로 접은 후, 비전도성 카본 분말이 위치된 부위를 180 ℃, 0.3 Mpa의 압력의 히팅 지그에서 2 초간 열융착 시켜 벤팅부가 형성된 실링부를 제조하였다.

상기 시편을, 가로 길이 15 mm, 세로 길이 66.5 mm로 샘플링 하여, 가로 길이 15 mm, 세로 길이 7 mm의 벤팅부가 형성된 실링부 시편으로 제조하였다.

<실시예 3> 벤팅부가 형성된 실링부 시편 제조

상기 제조예 1의 비전도성 카본 분말을 벤팅부에 대하여 30 %로 도포한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 실시하여 벤팅부가 형성된 실링부 시편을 제조하였다.

<비교예 1> 실링부 시편 제조

상기 제조예 1에서 비전도성 카본 분말을 도포하지 않은 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 실시하여 실링부 시편을 제조하였다.

<실험예 1> 실링 강도 측정

상기 실시예 2, 3 및 비교예 1에서 제조된 실링부 시편에 대하여, 25 ℃, 상대 습도 50 %한 조건에서 UTM(universal test machine) 장비로 실링 강도를 측정한 후, 그 결과를 도 4의 그래프 및 사진으로 나타내었다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에서 제조된 시편은 그래프 상의 14 내지 15 mm 지점(실링부의 절반 지점(3.5 mm) 이내)에서 최고 강도가 42 N/15 mm(0.4 N/mm²)인 것으로 나타났고, 실시예 3에서 제조된 시편은 그래프 상의 11 내지 13 mm 지점(실링부의 절반 지점(3.5 mm) 이내)에서 최고 강도가 74 N/15 mm(0.7 N/mm²)인 것으로 나타났다.

반면, 벤팅부를 형성시키지 않은 비교예 1의 경우에는, 최고 강도가 82 N/15 mm(0.8 N/mm²)로 나타났다.

한편, 상기 면적당 강도 값(N/mm²)은, 최고 강도/15 mm×7 mm(실링부의 면적)으로 계산되었다.

이를 통해, 실시예 2 및 실시예 3에서 형성시킨 벤팅부에서 벤팅이 일어나는 내부 압력은 0.4 N/mm² 및 0.7 N/mm² 임을 알 수 있고, 벤팅부가 없는 실링부에서는 0.8 N/mm² 의 내부 압력에 의해 벤팅이 일어남을 알 수 있다.

이와 같이, 실시예 2 및 실시예 3에서와 같이 비전도성 물질이 벤팅부에 도포되는 양을 조절함으로써 벤팅이 발생하는 압력을 조절할 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 이하의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 파우치형 이차 전지
100: 전극 조립체
200: 상부 파우치 막
300: 하부 파우치 막
400: 전극 탭
500: 수용부
600: 실링부
610: 실링부의 외부선
620: 실링부의 내부선
700: 벤팅부
800: 비전도성 물질
810, 820: 최외곽의 비전도성 물질

Claims

전극 조립체, 및 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막을 포함하는 파우치형 이차 전지에 있어서,
상기 파우치형 이차 전지는 상기 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막 사이에 상기 전극 조립체를 수납하는 수용부 및 상기 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막이 서로 밀착되는 실링부를 포함하고,
상기 실링부의 적어도 일부는 가스 배출을 유도하는 벤팅부를 포함하며,
상기 벤팅부는 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막 사이에 비전도성 물질을 포함하는 파우치형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 비전도성 물질은 비전도성 카본, 유분 및 나노 세라믹 파티클로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 비전도성 물질은 구형인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 비전도성 물질은 평균직경(D50) 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛의 구형인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 벤팅부의 면적은 실링부의 면적에 대하여 20 % 내지 50 %인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 비전도성 물질은, 상기 벤팅부의 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막이 접하는 총 면적에 대하여 30 % 내지 70 %의 면적으로 포함되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 비전도성 물질이, 상기 벤팅부의 상부 파우치 막 및 하부 파우치 막이 접하는 총 면적에 대하여 30 % 내지 70 %의 면적으로 포함되는 경우,
상기 파우치형 이차 전지의 벤팅이 일어나는 내부 압력은 0.4 N/mm² 내지 0.7 N/mm²인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 적어도 1 이상은 PET외부층/Nylon층/Al금속박층/PP내부층이 연속하여 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
제8항에 있어서,
상기 비전도성 물질은 PP내부층의 표면에 존재하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
파우치형 이차 전지의 실링부 상에 벤팅부를 결정하는 단계(단계 1);
상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 적어도 1 이상에, 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에 비전도성 물질을 위치시키는 단계(단계 2); 및
상기 실링부가 될 부분을 밀봉하는 단계(단계 3);을 포함하는 파우치형 이차 전지의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 단계 2는 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 적어도 1 이상의 제조 공정 중에, 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에 비전도성 물질을 위치시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 적어도 1 이상은 PET외부층/Nylon층/Al금속박층/PP내부층이 연속하여 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 단계 2는 상기 PP내부층 제조 시에, 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에 비전도성 물질을 위치시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 단계 2는 상부 파우치 막 또는 하부 파우치 막 중 적어도 1 이상에 전극 조립체를 위치시킨 후, 상기 단계 1에서 결정된 벤팅부가 될 부분에 비전도성 물질을 위치시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 제조방법.
제1항의 파우치형 이차 전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈.
제15항의 전지 모듈을 포함하며, 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
제16항에 있어서,
상기 중대형 디바이스가 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전지 팩.