KR20200025101A - 파우치형 이차 전지 및 이차 전지용 파우치 - Google Patents

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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지는 양극, 분리막, 음극이 적층되어 형성되는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수납하는 파우치를 포함하고, 상기 파우치는, 제1 폴리머로 제조되고, 최외층에 형성되는 표면 보호층; 제2 폴리머로 제조되고, 최내층에 형성되는 실란트층; 제1 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층 및 상기 실란트층의 사이에 적층되는 가스 배리어층; 및 제2 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층 및 상기 실란트층의 사이에 적층되며, 상기 전극 조립체의 상기 음극과 연결되는 금속 포일층을 포함한다.

Description

파우치형 이차 전지 및 이차 전지용 파우치{The Pouch Type Secondary Battery And The Pouch For The Secondary Battery}
본 발명은 파우치형 이차 전지 및 이차 전지용 파우치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 첨예한 네일(Nail) 등이 관통하더라도, 발열 속도를 감소시키고 열을 용이하게 외부로 방출하여 폭발의 위험성을 경감시키는 파우치형 이차 전지 및 이차 전지용 파우치에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
도 1은 종래의 전극 조립체(10)에 네일(2)이 접근하는 모습을 나타낸 개략도이고, 도 2는 종래의 전극 조립체(10)에 네일(2)이 관통한 모습을 나타낸 개략도이다.
한편, 전극 조립체(10)를 제조하기 위해 먼저, 양극 활물질(1012) 슬러리를 양극 집전체(1011)에 도포하고, 음극 활물질(1022) 슬러리를 음극 집전체(1021)에 도포하여 양극(101)과 음극(102)을 제조한다. 그리고 상기 제조된 양극(101) 및 음극(102)의 사이에 분리막(103)을 개재하여 서로 적층함으로써, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)를 제조한다. 도 1에는 양극(101), 음극(102), 분리막(103)이 하나씩 적층된 하나의 유닛 셀만이 도시되어 있으나, 전극 조립체(10)는 이에 제한되지 않고 복수의 유닛 셀들이 더 적층되어 형성될 수 있다.
전극 조립체(10)가 케이스에 수용되어 실링되면 이차 전지(1)가 제조된다. 그런데, 이러한 이차 전지(1)가 실제 사용되는 도중에, 외부와의 충돌에 의해 사고가 발생할 수 있다. 예를 들어, 첨예한 물체가 이차 전지(1)를 관통하여, 상기 양극(101)과 음극(102)이 직접 접촉함으로써 단락(Short)이 발생할 수 있다. 이러한 단락은 짧은 시간에 빠른 속도로 다량의 가스 생성, 고온 상승 등을 야기시킬 수 있으며, 나아가 큰 폭발이 발생하여 대형 사고로 이어질 수도 있다.
따라서, 이차 전지(1)가 실제 사용되기 전에, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 안전성 실험 중 하나로서 네일(Nail, 2)을 관통시켜서 폭발 위험성을 판단하는 네일(2) 관통 실험을 수행한다.
그런데, 일반적으로 이러한 네일(2) 관통 실험을 수행하면, 양극 집전체(1011)와 음극 활물질(1022)이 접촉할 때 가장 높은 온도에 빠르게 도달하여, 큰 폭발이 발생할 수 있다. 따라서, 양극 집전체(1011)와 음극 활물질(1022)의 접촉이 가장 위험한 접촉으로 알려져 있다. 그런데 만약, 전극 조립체(10)의 최외각에 양극(101)이 적층되어 있다면, 도 2에 도시된 바와 같이, 양극 집전체(1011)와 음극 활물질(1022)의 사이가 가장 근접하여, 큰 폭발이 발생할 가능성이 매우 높다는 문제가 있었다.
일본공개공보 제 2014-086361 호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 첨예한 네일(Nail) 등이 관통하더라도, 발열 속도를 감소시키고 열을 용이하게 외부로 방출하여 폭발의 위험성을 경감시키는 파우치형 이차 전지 및 이차 전지용 파우치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지는 양극, 분리막, 음극이 적층되어 형성되는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수납하는 파우치를 포함하고, 상기 파우치는, 제1 폴리머로 제조되고, 최외층에 형성되는 표면 보호층; 제2 폴리머로 제조되고, 최내층에 형성되는 실란트층; 제1 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층 및 상기 실란트층의 사이에 적층되는 가스 배리어층; 및 제2 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층 및 상기 실란트층의 사이에 적층되며, 상기 전극 조립체의 상기 음극과 연결되는 금속 포일층을 포함한다.
또한, 상기 금속 포일층은, 상기 음극으로부터 연장 형성되는 음극 리드와 연결됨으로써 상기 음극과 연결될 수 있다.
또한, 상기 표면 보호층, 상기 실란트층 및 상기 가스 배리어층은, 상기 음극 리드가 존재하는 영역과 대응되는 특정 영역에서, 일부가 제거될 수 있다.
또한, 상기 음극 리드는, 상기 특정 영역을 통해 노출되는 상기 금속 포일층과 용접되어 연결될 수 있다.
또한, 상기 가스 배리어층 및 상기 금속 포일층 사이에는 서로를 절연시키는 절연층이 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 금속 포일층은, 상기 가스 배리어층과 클래드 압연될 수 있다.
또한, 상기 제1 폴리머는, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 금속은, 알루미늄을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 금속은, 상기 음극의 음극 집전체에 포함되는 금속과 같은 종류의 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 금속은, 구리를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 폴리머는, 폴리프로필렌을 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 파우치는 양극, 분리막, 음극이 적층되어 형성되는 전극 조립체를 수납하는 파우치형 이차 전지에 있어서, 제1 폴리머로 제조되고, 최외층에 형성되는 표면 보호층; 제2 폴리머로 제조되고, 최내층에 형성되는 실란트층; 제1 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층 및 상기 실란트층의 사이에 적층되는 가스 배리어층; 및 제2 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층 및 상기 실란트층의 사이에 적층되는 금속 포일층을 포함하고, 특정 영역에서 상기 표면 보호층, 상기 실란트층 및 상기 가스 배리어층의 일부가 제거되어, 상기 금속 포일층이 외부로 노출된다.
또한, 상기 특정 영역은, 상기 음극으로부터 연장 형성되는 음극 리드가 존재하는 영역과 대응될 수 있다.
또한, 상기 음극 리드는, 상기 특정 영역을 통해 노출되는 상기 금속 포일층과 용접되어 연결될 수 있다.
또한, 상기 가스 배리어층 및 상기 금속 포일층 사이에는 서로를 절연시키는 절연층이 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 금속 포일층은, 상기 가스 배리어층과 클래드 압연될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 파우치형 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지모듈 및 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 컴퓨터, 노트북, 스마트폰, 휴대폰, 태블릿 PC, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 또는 전력 저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전지모듈 및 디바이스의 구조 및 그것들의 제작 방법은 당업계 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
이차 전지에 첨예한 네일이 관통하더라도, 가장 위험한 양극 집전체와 음극 활물질이 단락되기 전에, 금속 포일층과 양극 활물질의 단락이 먼저 유도됨으로써, 발열 속도를 감소시키고 열을 용이하게 외부로 방출하여 폭발의 위험성을 경감시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 종래의 전극 조립체에 네일이 접근하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래의 전극 조립체에 네일이 관통한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 조립도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치의 일부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 포일층과 음극 리드가 연결되는 모습을 자세히 나타낸 조립도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 네일이 접근하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 네일이 관통한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치의 일부 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)의 조립도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)를 제조하기 위해, 먼저 양극 활물질(1012) 슬러리를 양극 집전체(1011)에 도포하고, 음극 활물질(1022) 슬러리를 음극 집전체(1021)에 도포하여 양극(101)과 음극(102)을 제조한다. 그리고, 이를 분리막(Separator, 103)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(10)를 형성한다. 그리고 전지 케이스에 전극 조립체(10)를 수납하고 전해액 주입 후 실링한다.
전극 조립체(Electrode Assembly, 10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 탭(Electrode Tab, 11)을 포함한다. 전극 탭(11)은 전극 조립체(10)의 양극(101) 및 음극(102)과 각각 연결되고, 전극 조립체(10)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(10)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 된다. 전극 조립체(10)의 전극 집전체는 전극 활물질(1012, 1022) 슬러리가 도포된 부분과 활물질(1012, 1022) 슬러리가 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(11)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(11)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에는 전극 리드(Electrode Lead, 12)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결된다. 그리고, 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 절연부(14)는 파우치(13)의 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 열 융착되는 실링부(134)에 한정되어 위치하여, 전극 리드(12)를 파우치(13)에 접착시킨다. 그리고, 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 파우치(13)로 흐르는 것을 방지하며, 파우치(13)의 실링을 유지한다. 따라서, 이러한 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 일반적으로 절연부(14)로는, 전극 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 절연부(14)는 전극 리드(12) 중에서 양극 리드(121)의 주위에만 포위되고, 음극 리드(122)의 주위에는 포위되지 않는 것이 바람직하다.
전극 리드(12)는 양극 탭(111) 및 음극 탭(112)의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(121)는 양극 집전체(1011)와 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극 집전체(1021)와 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질 등 구리를 포함하는 금속 재질일 수 있다. 그리고 파우치(13)의 외부로 돌출된 전극 리드(12)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다. 그리고 본 발명의 일 실시예에 따르면, 음극 리드(122)는 파우치(13)의 내부에 포함된 금속 포일층(1354)과도 연결된다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치(13) 형 이차 전지(1)에서 전지 케이스는 연성의 재질로 제조된 파우치(13)이다. 이하, 전지 케이스는 파우치(13)인 것으로 설명한다. 그리고 파우치(13)는 전극 리드(12)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링된다. 이러한 파우치(13)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 포함한다. 하부 파우치(132)에는 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간(1331)이 마련된 컵부(133)가 형성되고, 상부 파우치(131)는 상기 전극 조립체(10)가 파우치(13)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 수용 공간(1331)을 상부에서 커버한다. 이 때, 도 3에 도시된 바와 같이 상부 파우치(131)에도 수용 공간(1331)이 마련된 컵부(133)가 형성되어, 전극 조립체(10)를 상부에서 수용할 수도 있다. 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)는 도 3에 도시된 바와 같이 일측이 서로 연결되어 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로 분리되어 별도로 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
파우치(13)의 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 서로 맞닿은 후, 테두리에 형성된 실링부(134)가 실링된다. 이 때 본 발명의 일 실시예에 따르면, 파우치(13)의 실링부(134) 중 일부 특정 영역(1341)에서는, 일부의 층들이 제거되어 금속 포일층(1354)이 노출된다. 따라서, 음극 리드(122)가 금속 포일층(1354)과 용이하게 용접되어 연결될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
이와 같이, 전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 전극 리드(12)가 연결되고, 전극 리드(12), 특히 양극 리드(121)의 일부분에 절연부(14)가 형성되면, 하부 파우치(132)에 마련된 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)가 수용되고, 상부 파우치(131)가 상기 수용 공간(1331)을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)의 테두리에 형성된 실링부(134)가 실링되면, 이차 전지(1)가 제조된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치(13)의 일부 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차 전지(1)에 첨예한 네일(2) 등이 관통하더라도, 발열 속도를 감소시키고 열을 용이하게 외부로 방출하여 폭발의 위험성을 경감시킬 수 있다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)는, 양극(101), 분리막(103), 음극(102)이 적층되어 형성되는 전극 조립체(10); 및 상기 전극 조립체(10)를 수납하는 파우치(13)를 포함하고, 상기 파우치(13)는, 제1 폴리머로 제조되고, 최외층에 형성되는 표면 보호층(1352); 제2 폴리머로 제조되고, 최내층에 형성되는 실란트층(1353); 제1 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층(1352) 및 상기 실란트층(1353)의 사이에 적층되는 가스 배리어층(1351); 및 제2 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층(1352) 및 상기 실란트층(1353)의 사이에 적층되며, 상기 전극 조립체(10)의 상기 음극(102)과 연결되는 금속 포일층(1354)을 포함한다. 그리고 상기 파우치(13)는 특정 영역(1341)에서 상기 표면 보호층(1352), 상기 실란트층(1353) 및 상기 가스 배리어층(1351)의 일부가 제거되어, 상기 금속 포일층(1354)이 외부로 노출된다.
파우치(13)는 파우치 필름(135)을 드로잉(Drawing) 성형하여 제조된다. 즉, 파우치 필름(135)을 펀치 등으로 연신시켜 컵부(133)를 형성함으로써 제조된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이러한 파우치 필름(135)은 도 4에 도시된 바와 같이, 가스 배리어층(Gas Barrier Layer, 1351), 표면 보호층(Surface Protection Layer, 1352), 실란트층(Sealant Layer, 1353) 및 금속 포일층(Metal Foil Layer, 1354)을 포함한다.
가스 배리어층(1351)은 파우치(13)의 기계적 강도를 확보하고, 이차 전지(1) 외부의 가스 또는 수분 등의 출입을 차단하며, 전해액의 누수를 방지한다. 일반적으로 가스 배리어층(1351)은 제1 금속으로 제조되며, 제1 금속은 알루미늄을 포함할 수 있다. 알루미늄은 소정 수준 이상의 기계적 강도를 확보할 수 있으면서도 무게가 가볍고 전극 조립체(10)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 확보할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 다양한 재질이 가스 배리어층(1351)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 이 때 상기 가스 배리어층(1351)을 철이 함유된 재질로 제조할 경우에는 기계적 강도가 향상되고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 향상되므로, 각각의 특성을 고려하여 사용될 수 있을 것이다.
표면 보호층(1352)은 제1 폴리머로 제조되고, 최외층에 위치하여 외부와의 마찰 및 충돌로부터 이차 전지(1)를 보호하면서, 전극 조립체(10)를 외부로부터 전기적으로 절연시킨다. 여기서 최외층이란, 상기 가스 배리어층(1351)을 기준으로 전극 조립체(10)가 위치하는 방향의 반대 방향으로 향할 때 가장 마지막에 위치한 층을 말한다. 이러한 표면 보호층(1352)을 제조하는 제1 폴리머는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 특히, 주로 내마모성 및 내열성을 가지는 나일론(Nylon) 수지 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리머가 사용된다. 그리고 표면 보호층(1352)은 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 가지거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수도 있다.
실란트층(1353)은 제2 폴리머로 제조되고, 최내층에 위치하여 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉한다. 여기서 최내층이란, 상기 가스 배리어층(1351)을 기준으로 전극 조립체(10)가 위치하는 방향으로 향할 때 가장 마지막에 위치한 층을 말한다. 파우치(13) 형 파우치(13)는 상기와 같은 적층 구조의 파우치 필름(135)을, 펀치 등을 이용하여 드로잉(Drawing) 성형하면, 일부가 연신되어 주머니 형태의 수용 공간(1331)을 포함하는 컵부(133)를 형성하면서 제조된다. 그리고, 이러한 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)가 내부에 수용되면 전해액을 주입한다. 그 후에 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 서로 접촉시키고, 실링부(134)에 열 압착을 하면 실란트층(1353)끼리 접착됨으로써 파우치(13)가 실링된다. 이 때, 실란트층(1353)은 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가져야 하며, 전해액과도 접촉하므로 내식성을 가져야 한다. 또한, 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트층(1353)끼리 접착된 실링부(134)는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로 이러한 실란트층(1353)을 제조하는 제2 폴리머는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 특히, 주로 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어나, 실란트층(1353)을 제조하는데 주로 사용된다. 나아가, 무연신 폴리프로필렌(Cated Polypropylene) 또는 산처리된 폴리프로필렌(Acid Modified Polypropylene) 또는 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체로 구성될 수도 있다. 여기서 산처리된 폴리프로필렌은 MAH PP(말레익 안하이드라이드 폴리프로필렌)일 수 있다. 또한, 실란트층(1353)은, 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 갖거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수 있다.
금속 포일층(1354)은 가스 배리어층(1351)과 같이, 표면 보호층(1352) 및 실란트층(1353)의 사이에 적층되며, 전극 조립체(10)의 음극(102)과 연결된다. 그럼으로써, 금속 포일층(1354)은 음의 극성을 띠어, 네일(2)이 관통하더라도 금속 포일층(1354)과 양극 활물질(1012)의 단락을 먼저 유도함으로써, 폭발의 위험성을 경감시킬 수 있다. 이를 위해, 금속 포일층(1354)은 제2 금속으로 제조되며, 이러한 제2 금속은 음극 집전체(1021)에 포함되는 금속과 같은 종류의 금속을 포함한다. 예를 들어, 음극 집전체(1021)와 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질을 포함할 수 있다. 이러한 금속 포일층(1354)은 가스 배리어층(1351)과 서로 위치가 바뀔 수 있다. 즉, 금속 포일층(1354)은 도 4에 도시된 바와 같이, 가스 배리어층(1351)보다 상방에 위치할 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 가스 배리어층(1351)보다 하방에 위치할 수도 있다. 만약 금속 포일층(1354)이 가스 배리어층(1351)보다 하방에 위치한다면, 금속 포일층(1354)과 양극 활물질(1012) 사이의 거리가 더욱 가까워지므로, 네일(2)이 관통할 때 금속 포일층(1354)과 양극 활물질(1012)이 더욱 용이하게 접촉될 수도 있다. 다만, 금속 포일층(1354)은 음극(102)과 연결되므로 음의 극성을 띤다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 배리어층(1351)까지 극성을 띠는 것을 방지하기 위해, 금속 포일층(1354)과 가스 배리어층(1351) 사이에는 이들을 서로 절연시키는 절연층(1355)이 더 적층될 수 있다. 이러한 절연층(1355)은 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 이하, 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 포일층(1354)이 가스 배리어층(1351)보다 상방에 위치한 것으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 포일층(1354)과 음극 리드(112)가 연결되는 모습을 자세히 나타낸 조립도이다.
상기 기술한 바와 같이, 금속 포일층(1354)은 전극 조립체(10)의 음극(102), 특히 음극(102)으로부터 연장 형성되는 음극 리드(112)와 연결된다. 구체적으로, 파우치(13)의 테두리에 형성된 실링부(134) 중, 음극 리드(112)가 존재하는 영역과 대응되는 특정 영역(1341)에서는, 표면 보호층(1352), 실란트층(1353) 및 가스 배리어층(1351) 등이 제거된다. 그럼으로써, 금속 포일층(1354)이 외부로 노출될 수 있다. 그리고, 상기 음극 리드(112)는 파우치(13)에서 상기 특정 영역(1341)을 통해 노출된 금속 포일층(1354)과 접촉한다. 그리고 레이저 용접 또는 초음파 용접 등을 이용하여 용이하게 용접되어, 음극 리드(112)와 금속 포일층(1354)이 서로 연결될 수 있다.
금속 포일층(1354)과 음극 리드(112)가 레이저 용접 등으로 용이하게 용접되기 위해서는, 특정 영역(1341)에서 금속 포일층(1354)이 내측만이 아니라 외측으로도 노출되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 특정 영역(1341)에서는 표면 보호층(1352)도 제거되는 것이 바람직하다. 그러나, 표면 보호층(1352)은 금속 포일층(1354)을 기준으로 외측에 존재하므로, 금속 포일층(1354)과 음극 리드(112)가 연결되는데 방해가 되지 않는다. 따라서, 표면 보호층(1352)을 제거하지 않고도 음극 리드(112)와 금속 포일층(1354)을 용접할 수 있다면, 특정 영역(1341)에서 실란트층(1353) 및 가스 배리어층(1351)만이 제거되고, 표면 보호층(1352)은 제거되지 않을 수도 있다.
도 5에는 하부 파우치(132)의 실링부(134)에만 금속 포일층(1354)이 노출되어 음극 리드(112)와 연결되는 것으로 도시되어 있다. 그러나 상기 기술한 바와 같이, 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)는 서로 분리되어 별도로 제조되거나, 일측이 서로 연결되어 제조되더라도 폴딩하면서 금속 포일층(1354)이 일부 절단될 수 있다. 이러한 다양한 이유로, 상부 파우치(131)의 금속 포일층(1354)과 하부 파우치(132)의 금속 포일층(1354)은 서로 전기적으로 단절될 수 있다. 그런데 만약 음극 리드(112)가 하부 파우치(132)의 금속 포일층(1354)에만 연결된다면, 상부 파우치(131) 측으로부터 네일(2)이 관통할 때 폭발의 위험성을 경감시킬 수 없다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 하부 파우치(132)뿐만 아니라, 상부 파우치(131)도 음극 리드(112)와 대응되는 영역에서 표면 보호층(1352) 등이 제거되어, 금속 포일층(1354)이 노출된다. 그리고, 음극 리드(112)는 상면 및 하면에서 각각 금속 포일층(1354)과 연결된다.
한편, 상기 음극 리드(112)와 대응되는 영역에서 표면 보호층(1352) 등이 제거되므로, 파우치(13)의 실링부(134)의 상기 특정 영역(1341)에는 단차가 형성된다. 그러나, 양극 리드(111)의 주변에는 절연부(14)가 포위하는 반면, 음극 리드(112)의 주변에는 절연부(14)가 포위하지 않는다. 따라서, 음극 리드(112)가 금속 포일층(1354)에 곧바로 용접되어 연결되더라도, 양극 리드(111)와 음극 리드(112) 사이의 실링 두께에 편차가 크지 않을 수 있다. 그러나, 예를 들어 음극 리드(112)와 대응되는 영역에서 많은 층들이 제거되거나, 절연부(14)가 양극 리드(111)의 주변을 포위하지 않는 등의 경우에는, 음극 리드(112)가 금속 포일층(1354)에 곧바로 용접된다면 양극 리드(111)와 음극 리드(112) 사이의 실링 두께에 큰 편차가 형성되는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 경우에는 음극 리드(112)의 두께를 양극 리드(111)보다 두껍게 형성하거나, 음극 리드(112)로부터 금속 포일층(1354)을 향해 일부분이 돌출되는 돌출부를 형성함으로써, 상기 편차를 감소시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)에 네일(2)이 접근하는 모습을 나타낸 개략도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)에 네일(2)이 관통한 모습을 나타낸 개략도이다.
이와 같이 파우치(13)에는 금속 포일층(1354)이 포함되고, 음극 리드(112)가 상기 금속 포일층(1354)과 연결됨으로써, 금속 포일층(1354)은 음의 극성을 띤다. 따라서, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 이차 전지(1)에 첨예한 네일(2)이 관통하더라도, 금속 포일층(1354)과 양극 활물질(1012)이 먼저 접촉한다. 즉, 가장 위험한 양극 집전체(1011)와 음극 활물질(1022)이 단락되기 전에, 금속 포일층(1354)과 양극 활물질(1012)의 단락이 먼저 유도된다. 그럼으로써, 발열 속도를 감소시킬 수 있다.
또한, 금속 포일층(1354)은 파우치(13)의 내부에, 전체에 걸쳐 적층되어 있다. 즉, 전극 조립체(10)에 비해 상대적으로 표면적이 넓고, 외측에 위치한다. 따라서, 금속 포일층(1354)과 양극 활물질(1012)이 단락되어 금속 포일층(1354)의 온도가 상승하더라도, 전극 조립체(10) 내부에서 단락되어 온도가 상승하는 것에 비해, 열을 외부로 방출하는 것이 용이하다. 따라서, 폭발의 위험성을 경감시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치(13)의 일부 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 파우치 필름(135)에 포함된 금속 포일층(1354)과 가스 배리어층(1351)은 별도의 층이다. 그리고 가스 배리어층(1351)까지 극성을 띠는 것을 방지하기 위해, 금속 포일층(1354)과 가스 배리어층(1351) 사이에는 이들을 서로 절연시키는 절연층(1355)이 더 적층될 수 있다. 따라서, 금속 포일층(1354)과 가스 배리어층(1351)은 서로 연결되지 않는다.
그러나 가스 배리어층(1351)을 제조하는 제1 금속은 상기 기술한 바와 같이 알루미늄일 수 있다. 이러한 알루미늄은 무게가 가볍고, 물 또는 산소에 대하여 내식성은 강한 장점이 있는 반면, 염분 등에 대한 내염수성이 약하다는 단점이 있다. 따라서 파우치(13)의 노후화 또는 제품의 초기 불량 등에 따라 실란트층(1353)이 일부 파손된다면, 알루미늄이 파우치(13) 내의 전해액과 접촉하여 부식될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 파우치 필름(135a)에 포함된 가스 배리어층(1351a)과, 금속 포일층(1354a)이 서로 겹쳐진 상태로 클래드(Clad) 압연하여 기계적으로 접착됨으로써, 클래드 압연층(1356a)이 형성될 수 있다. 클래드(Clad)란 여러 가지 다양한 금속을 함께 결합하여 각 금속의 장점만을 취하는 금속 압연 공법이다. 이 때, 도 8에 도시된 바와 같이, 가스 배리어층(1351a)의 제1 금속이 금속 포일층(1354a)의 제2 금속보다 상방에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 기술한 바와 같이, 제2 금속은 구리일 수 있다. 이러한 구리는 알루미늄에 비해 내염수성이 강하다. 따라서, 가스 배리어층(1351a)과 금속 포일층(1354)이 클래드 압연한다면, 실란트층(1353)이 일부 파손되더라도, 가스 배리어층(1351)이 전해액에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 이차 전지 2: 네일
10: 전극 조립체 11: 전극 탭
12: 전극 리드 13: 파우치
14: 절연부 101: 양극
102: 음극 103: 분리막
111: 양극 탭 112: 음극 탭
121: 양극 리드 122: 음극 리드
131: 상부 파우치 132: 하부 파우치
133: 컵부 134: 실링부
135: 파우치 필름 1011: 양극 집전체
1012: 양극 활물질 1021: 음극 집전체
1022: 음극 활물질 1331: 수용 공간
1341: 특정 영역 1351: 가스 배리어층
1352: 표면 보호층 1353: 실란트층
1354: 금속 포일층 1355: 절연층
1356a: 클래드 압연층

Claims (20)

  1. 양극, 분리막, 음극이 적층되어 형성되는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 수납하는 파우치를 포함하고,
    상기 파우치는,
    제1 폴리머로 제조되고, 최외층에 형성되는 표면 보호층;
    제2 폴리머로 제조되고, 최내층에 형성되는 실란트층;
    제1 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층 및 상기 실란트층의 사이에 적층되는 가스 배리어층; 및
    제2 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층 및 상기 실란트층의 사이에 적층되며, 상기 전극 조립체의 상기 음극과 연결되는 금속 포일층을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 포일층은,
    상기 음극으로부터 연장 형성되는 음극 리드와 연결됨으로써 상기 음극과 연결되는, 파우치형 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 표면 보호층, 상기 실란트층 및 상기 가스 배리어층은,
    상기 음극 리드가 존재하는 영역과 대응되는 특정 영역에서, 일부가 제거되는, 파우치형 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 음극 리드는,
    상기 특정 영역을 통해 노출되는 상기 금속 포일층과 용접되어 연결되는, 파우치형 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배리어층 및 상기 금속 포일층 사이에는 서로를 절연시키는 절연층이 더 포함되는, 파우치형 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 포일층은,
    상기 가스 배리어층과 클래드 압연되는, 파우치형 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 폴리머는,
    폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속은,
    알루미늄을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속은,
    상기 음극의 음극 집전체에 포함되는 금속과 같은 종류의 금속을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 금속은,
    구리를 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 폴리머는,
    폴리프로필렌을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  12. 양극, 분리막, 음극이 적층되어 형성되는 전극 조립체를 수납하는 파우치형 이차 전지에 있어서,
    제1 폴리머로 제조되고, 최외층에 형성되는 표면 보호층;
    제2 폴리머로 제조되고, 최내층에 형성되는 실란트층;
    제1 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층 및 상기 실란트층의 사이에 적층되는 가스 배리어층; 및
    제2 금속으로 제조되고, 상기 표면 보호층 및 상기 실란트층의 사이에 적층되는 금속 포일층을 포함하고,
    특정 영역에서 상기 표면 보호층, 상기 실란트층 및 상기 가스 배리어층의 일부가 제거되어, 상기 금속 포일층이 외부로 노출되는, 이차 전지용 파우치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 특정 영역은,
    상기 음극으로부터 연장 형성되는 음극 리드가 존재하는 영역과 대응되는, 이차 전지용 파우치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 음극 리드는,
    상기 특정 영역을 통해 노출되는 상기 금속 포일층과 용접되어 연결되는, 이차 전지용 파우치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 가스 배리어층 및 상기 금속 포일층 사이에는 서로를 절연시키는 절연층이 더 포함되는, 이차 전지용 파우치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 금속 포일층은,
    상기 가스 배리어층과 클래드 압연되는, 이차 전지용 파우치.
  17. 제1항에 따른 파우치형 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지모듈.
  18. 제17항에 따른 전지모듈을 포함하는 전지팩.
  19. 제18항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 디바이스는,
    컴퓨터, 노트북, 스마트폰, 휴대폰, 태블릿 PC, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 또는 전력 저장장치인 디바이스.
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