WO2013042948A2 - 다공성 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

다공성 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly having a porous structure and a secondary battery including the same.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a general structure of a conventional representative pouch type secondary battery.
  • the pouch type secondary battery 100 may include an electrode assembly 300, electrode tabs 310 and 320 extending from the electrode assembly 300, and electrodes welded to the electrode tabs 310 and 320. And a battery case 200 accommodating the leads 410 and 420 and the electrode assembly 300.
  • the electrode assembly 300 is a power generator in which a positive electrode and a negative electrode are sequentially stacked in a state where a separator is interposed therebetween, and has a stack type or a stack / fold type structure.
  • the electrode tabs 310, 320 extend from each pole plate of the electrode assembly 300, and the electrode leads 410, 420 are welded with a plurality of electrode tabs 310, 320 extending from each pole plate, for example, welding. Each is electrically connected to each other, and part of the battery case 200 is exposed to the outside.
  • an insulating film 430 is attached to a portion of the upper and lower surfaces of the electrode leads 410 and 420 to increase the sealing degree with the battery case 200 and to secure an electrical insulation state.
  • the case 200 is made of an aluminum laminate sheet, provides a space for accommodating the electrode assembly 300, and has a pouch shape as a whole.
  • a plurality of positive electrode tabs 310 and a plurality of negative electrode tabs 320 may be coupled together to the electrode leads 410 and 420.
  • the upper end is spaced apart from the electrode assembly 300 at predetermined intervals.
  • the electrode assembly 300 and the battery case 200 are fixed to each other only by sealing the sealing portions of the battery case together with the electrode leads 410 and 420, the electrode assembly 300 is weak due to a weak fixing force. 200 there is a problem to flow inside.
  • Figure 2 is a partial enlarged view of the upper inside of the battery case is coupled to the positive electrode lead is coupled in a compact form in the secondary battery of FIG.
  • the positive lead 410 is sealed by the battery case 200 while the opposite end 412 to which the positive electrode tab welding part is connected is exposed.
  • the inner upper end of the battery case 200 is spaced apart from the upper surface of the electrode assembly 300 by a predetermined distance, and the positive electrode tabs 310 of the welded portion are formed. Is bent in a substantially V shape.
  • the coupling region between the electrode tabs and the electrode lead is also referred to as a V-forming region.
  • the electrode assembly is easily moved along the interface with the battery case due to the empty space of the V-forming part during the vibration or drop of the battery.
  • the lithium salt-containing electrolyte injected into the battery case acts as a kind of lubricating oil at the interface between the electrode assembly and the battery case, further promoting the movement of the electrode assembly.
  • the movement of the electrode assembly causes an internal short circuit caused by the contact of different electrodes at the V-forming part, and ultimately degrades the safety of the battery.
  • a method for securing safety in manufacturing a pouch-type battery is required. need.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-183820 discloses an electrode assembly consisting of an anode / separation membrane / cathode, which is incorporated in an upper and lower battery cases coupled in an insulated state, wherein Between the electrode forming the outer surface and the inner surface of the upper and lower cases, respectively, by forming an adhesive layer made of a conductive adhesive and an organic solvent contained in the electrolyte, and heat-treatment, the electrode assembly is stably fixed inside the battery case and the electrode assembly It provides a secondary battery consisting of electrically connecting the electrode and the upper and lower cases.
  • the adhesive layer is made of a paste, applied, and exhibits adhesiveness by heat treatment, the overall manufacturing process of the battery is complicated, and deterioration of other members such as an electrode active material and an electrolyte during the heat treatment of the adhesive layer is prevented. It has the disadvantages that result.
  • an object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • An object of the present invention is to provide a secondary battery that can stably fix the battery case and the electrode assembly to prevent movement of the electrode assembly to prevent internal short circuit, and ultimately to ensure excellent safety.
  • Still another object of the present invention is to provide a secondary battery module or a battery pack that includes a plurality of secondary batteries to stably fix and thereby improve safety.
  • the present invention has been made to solve the above problems, in the electrode assembly comprising a (multiple) of the positive electrode, the negative electrode and the separator, it provides an electrode assembly comprising one or more through holes.
  • the at least one through hole may be two.
  • the one or more through-holes may be formed in any one shape, in detail, a circle selected from the group consisting of a curvature polygon, a rectangle, and a triangle processed to have a curvature of a circle, an ellipse, and a vertex.
  • the one or more through holes may be formed in the same shape.
  • the one or more through holes may be formed spaced apart at the same interval.
  • the at least one through hole may be formed along a central portion thereof in the long side or short side direction of the electrode assembly.
  • the total area occupied by the at least one through hole may be 2% to 20% of the area of the electrode assembly.
  • the electrode assembly may be one of a structure selected from a jelly-roll type, a stack type, a stack / fold type, and a Z-stack / fold type.
  • the present invention provides a pouch-type secondary battery including the electrode assembly, the pouch case and the through-sealing portion.
  • the pouch packaging material may be made of a structure of an inner resin layer, a metal thin film and an outer resin layer.
  • the through sealing part may be formed by sealing a corresponding portion of the pouch case covering one or more through holes formed on the electrode assembly.
  • the present invention provides a battery module or a battery pack including the pouch-type secondary battery as a unit cell.
  • the battery module or the battery pack is used as a power source of the medium and large device
  • the medium and large device is a power tool (Power Tool); Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters; Electric Golf Carts; Electric trucks; Electric commercial vehicles; Or it may be any one of the system for power storage.
  • Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs)
  • Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters
  • Electric Golf Carts Electric trucks; Electric commercial vehicles; Or it may be any one of the system for power storage.
  • the present invention includes an electrode assembly including one or more through-holes in the same position on the anode, cathode and separator; And a pouch case formed of a structure of an inner resin layer, a metal thin film, and an outer resin layer, and further sealing a pouch case having a position corresponding to the through hole formed on the electrode assembly.
  • a method of manufacturing a pouch type secondary battery is provided.
  • the through-sealing portion may be manufactured using a heat fusion apparatus having a pressing portion corresponding to the position and shape of the through-hole so as to press the corresponding portion.
  • the present invention provides a pouch type secondary battery including one or more through holes.
  • the at least one through hole is an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode and a separator; And pouch packaging material comprising the same; It may be formed in at least one of.
  • the at least one through hole may be formed at the same position so that the through hole of the electrode assembly and the through hole of the pouch sheathing material correspond to each other.
  • the through hole of the electrode assembly and the through hole of the pouch case may be formed in the same shape.
  • the size of the through hole of the electrode assembly may be larger than the size of the through hole of the corresponding pouch case.
  • the through hole of the electrode assembly may be larger than the through hole of the pouch case by the width of the additional sealing portion formed along the inner circumferential surface thereof.
  • the one or more through holes may be formed spaced apart at the same interval.
  • the at least one through hole may be formed along a central portion thereof in a long side or a short side direction of the pouch type secondary battery.
  • an additional sealing portion may be formed along the inner circumferential surface of the through hole of the electrode assembly.
  • the one or more through-holes may be formed in any one shape, in detail, a circle selected from the group consisting of a curvature polygon, a rectangle, and a triangle processed to have a curvature of a circle, an ellipse, and a vertex.
  • the total area occupied by the at least one through hole may be 2% to 20% of the area of the pouch type secondary battery.
  • the electrode assembly may be one of a structure selected from a jelly-roll type, a stack type, a stack / fold type, and a Z-stack / fold type.
  • the present invention provides a battery module including the pouch type secondary battery as a unit cell.
  • the battery module may be connected to the cooling line through at least one through-hole formed in the unit cell.
  • the battery module may be a unit cell fixed rod is connected through at least one through-hole formed in the unit cell.
  • the battery module is used as a power source of the medium and large device
  • the medium and large device includes a power tool; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters; Electric Golf Carts; Electric trucks; Electric commercial vehicles; Or it may be any one of the system for power storage.
  • Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs)
  • Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters
  • Electric Golf Carts Electric trucks; Electric commercial vehicles; Or it may be any one of the system for power storage.
  • the secondary battery according to the present invention can be stably added to the electrode assembly and the fusion part of the battery case to stably fix the movement of the electrode assembly, thereby preventing internal short circuiting and increasing safety, and increasing porosity. Due to the structure of the electrode assembly of the structure there is an effect that can greatly increase the impregnation of the electrolyte.
  • the present invention can further improve safety, performance, and lifespan of a secondary battery module or battery pack including one or more secondary batteries by arranging, fixing or cooling a plurality of secondary batteries using the through-holes of the secondary batteries. It provides a secondary battery module or a battery pack.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a general structure of a conventional pouch type secondary battery.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of an upper portion of an inside of a battery case in which the positive electrode tabs are densely coupled in the secondary battery of FIG. 1 and connected to the positive electrode lead.
  • FIG 3 is an exploded perspective view of a rechargeable battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a coupled state of the secondary battery according to FIG. 3.
  • FIG. 5 is a perspective view of a coupled state of a secondary battery according to another embodiment.
  • FIG. 6 is a perspective view of a state in which the secondary battery according to FIG. 3 is sealed.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of a secondary battery module including a plurality of secondary batteries according to FIG. 3.
  • FIG 8 is an exploded perspective view of an embodiment in which a cooling line is connected through a secondary battery through hole in the secondary battery module.
  • the present invention to solve the prior art as described above,
  • an electrode assembly comprising (many) positive electrode, negative electrode and separator, there is provided an electrode assembly including at least one through hole for sealing and a secondary battery comprising the same.
  • the secondary battery according to the present invention further prevents the electrode assembly from moving inside the battery packaging material by dropping the electrode assembly and the battery packaging material through one or more through-holes for the sealing, in addition to the sealing portion at the edge of the battery packaging material.
  • Safety may be improved upon application of an external force such as the like.
  • a medium-large device such as a battery car with a lot of external shock or shake, it is possible to prevent the risk of internal short circuit and heat generation, fire, and the like caused by the flow of the electrode assembly, and greatly increase safety.
  • the shape of the through hole is not particularly limited, and may be formed in various shapes such as a curvature shape, a rectangle, a triangle, and the like processed to have a curvature of a circle, an ellipse, and other vertices.
  • a curvature shape a rectangle, a triangle, and the like processed to have a curvature of a circle, an ellipse, and other vertices.
  • the through hole is preferably formed in a circular shape.
  • the size and number of the through holes are not particularly limited and may be variously designed according to the use and shape of the battery.
  • the through holes may be disadvantageous in terms of the capacity of the battery, and thus the through holes are formed in the minimum size and number to fix the electrode assembly and the battery exterior material. desirable.
  • all the areas occupied by the through holes may be configured to occupy 2% to 20% based on the plane of the electrode assembly. If the ratio of the through-holes outside the above range becomes higher, there may be a problem that the capacity of the battery is lowered. If the ratio is not reached, it is difficult to effectively fix the electrode assembly to the battery exterior material.
  • a plurality of through holes of a small size may be evenly distributed on the electrode assembly within the range of the area ratio as described above, and the larger through holes may have a long length based on the center of the electrode assembly.
  • Two through-holes may be formed at both ends symmetrically in the direction so that the electrode assembly and the battery exterior member may be fixed by forming a minimum through-hole.
  • the area of one through-hole is preferably formed to be 1% to 10% based on the planar area of the entire electrode assembly.
  • the through hole may be formed at a position spaced apart by an L / 6 length from both ends with respect to the length L in the longitudinal direction of the electrode assembly.
  • the through hole may form a through hole penetrating the electrode assembly including a plurality of electrodes and separators at one time, and penetrate through the electrode and the separator in which the through holes are formed in the same shape and position. It is also possible to produce an electrode assembly in which a sphere is formed.
  • the electrode assembly of the present invention may not only fix the electrode assembly by including one or more through holes therein, but also greatly increase the impregnation of the electrolyte.
  • the impregnation of the electrolyte is difficult to penetrate the electrolyte solution into the interior of the electrode assembly, the impregnation is poor, but the electrode assembly of the present invention includes one or more through holes therein, the electrolyte also penetrates through the electrode assembly inside here Is possible, there is an effect that the electrolyte impregnation of the electrode assembly can be significantly increased.
  • the shape of the electrode assembly according to the present invention is not particularly limited, a jelly roll-type electrode assembly of the structure wound around a long sheet-shaped anode and cathode and a separator therebetween;
  • Assembly A Z-stack & folding electrode assembly wound around the long film type separator in a zigzag direction;
  • the electrode assembly such as a stacked electrode assembly having a structure in which a plurality of unit cells are stacked, may be any one.
  • the present invention provides a secondary battery including the electrode assembly as described above and a through-sealing portion formed by additionally sealing a battery exterior material in the through hole portion of the electrode assembly.
  • the secondary battery forms the through-sealing part by thermally sealing the sealing part of the peripheral edge of the battery sheathing material and the battery sheathing portion of the portion where the through hole is located on the electrode assembly by the heat sealing jig after the electrode assembly is accommodated in the battery sheathing material. can do.
  • the formation of the through-sealing portion may be manufactured using a heat fusion jig configured to be thermally compressed to the same portion as the shape and position of the through-hole located on the electrode assembly, but is not limited thereto.
  • the secondary battery may be a secondary battery in which the positive electrode lead and the negative electrode lead protrude in the same direction, or may be a secondary battery in which the positive electrode lead and the negative electrode lead protrude in opposite directions.
  • the battery packaging material may have an electrode assembly accommodating space in which a space is formed to accommodate the electrode assembly, or may be formed in only one of the upper and lower portions thereof, or a storage space of the electrode assembly may be formed in both the upper and lower portions thereof.
  • the pouch-type exterior material may use a known exterior material, for example, the exterior material is a pouch-type exterior material in the form of a laminate sheet including a metal layer and a resin layer.
  • the pouch type exterior material of an aluminum laminate sheet is preferable.
  • the laminate sheet is composed of an outer coating layer of a polymer film, a barrier layer of a metal foil, and an inner sealant layer of a polyolefin series, and the outer coating layer must have excellent resistance from an external environment, and thus, it is necessary to have a predetermined tensile strength and weather resistance.
  • a stretched nylon film or polyethylene terephthalate (PET) may be preferably used as the polymer resin of the outer resin layer.
  • the barrier layer may be aluminum in detail so as to exert a function of improving the strength of the battery case in addition to the function of preventing the inflow or outflow of foreign substances such as gas and moisture.
  • the inner sealant layer has a heat sealability (heat adhesion) and has a low hygroscopicity to prevent invasion of the electrolyte solution and may be used a polyolefin resin that is not expanded or eroded by the electrolyte solution. (cPP) can be used.
  • the outer coating layer and the inner sealant layer may be formed in two or more layers.
  • the outer coating layer may be formed of a dual structure such as PET / ONy layer and the inner sealant layer of PPa (Acid modified PP / cPP). It may be, but is not limited to such.
  • the electrode lead may be formed of, for example, one or more metals selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, copper, nickel, titanium, tantalum, and niobium, but is not limited thereto.
  • the electrode lead is a cathode
  • one or more metals selected from the group consisting of copper, nickel, stainless steel, and alloys thereof are preferred, but not limited thereto.
  • the joining method can also use well-known methods, such as a laser and ultrasonic welding, and is not specifically limited.
  • the secondary battery according to the present invention may not only be used in a battery cell used as a power source for a small device but also as a unit battery in a medium or large battery module or battery pack including a plurality of battery cells that may be used as a power source for a medium and large device. It can be used preferably.
  • the medium and large device may include a power tool; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters; Electric Golf Carts; Electric trucks; Electric commercial vehicles; Power storage systems and the like, but are not limited thereto.
  • Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters; Electric Golf Carts; Electric trucks; Electric commercial vehicles; Power storage systems and the like, but are not limited thereto.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view schematically showing a secondary battery according to one embodiment of the present invention.
  • the pouch-type battery of FIG. 3 except for the features of the present invention is substantially the same as a conventional pouch-type battery which is generally used, descriptions of the other matters except for the features of the present invention may be omitted. .
  • the pouch type secondary battery of the present invention includes an electrode assembly 10 having a plurality of through holes 40 and a battery exterior member 50.
  • the through holes 40 may be formed at two symmetrical positions at both ends of the electrode assembly with respect to the long length direction of the electrode assembly as shown in FIG. 3, but are not limited thereto and may be freely designed by those skilled in the art. Of course.
  • the battery packaging material 50 included in the present invention a conventionally known pouch type battery packaging material may be used.
  • FIGS. 4 and 5 are perspective views of the secondary battery in a state in which the electrode assembly is accommodated and the battery exterior member is sealed.
  • the secondary battery according to the present invention further seals the battery exterior part contacting the through hole formed on the accommodated electrode assembly by a method such as thermal fusion to form the through sealing part 40, thereby forming the through assembly 40. Completely fix the battery exterior material.
  • the additional sealing step of forming the through-sealing portion is not particularly limited in order, and may seal at the same time when sealing the corner sealing portion of the battery packaging material to form a through-sealing portion, and finally after the activation step of the secondary battery It can also be formed by sealing.
  • the through-sealing portion may be formed using a jig formed to apply heat and pressure to the battery exterior material corresponding to the position where the through-hole of the electrode assembly is formed, but is not limited thereto.
  • FIG. 4 is a perspective view of a secondary battery in which the cathode lead 20 and the anode lead 30 are protruded in the same direction, and the accommodating part of the electrode assembly is formed only on the lower battery exterior material.
  • the negative electrode lead 30 protrudes in different directions, and is a perspective view of a secondary battery in which an accommodating part of the electrode assembly is formed on both the lower and upper battery casings.
  • depressions may be formed in the through-sealing portion by sealing, and the cross-section of the through-sealing portion may be formed in order to prevent the pouch-type electrode assembly from being damaged. Forming may be preferable, but is not limited thereto.
  • two through-holes are formed at positions spaced apart from each end of the electrode assembly by a distance equal to 1/6 of the length of the electrode assembly from both ends of the electrode assembly.
  • the assembly was formed.
  • the secondary battery including the through sealing part was manufactured by accommodating the inside of the battery case and heat-sealing the edge sealing part of the battery case and the position of the through hole using a heat sealing jig.
  • a battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the through hole and the through sealing part were not formed.
  • each of 20 batteries was repeatedly performed, and the front dropping experiment was performed by 100 times of free-falling on the iron plate at a height of 180 cm so that the electrode terminal portion face downward.
  • Example 1 did not cause a short circuit in all 20 cells in the drop test. That is, by forming an additional through-sealing portion in the electrode assembly and the battery packaging material, the electrode assembly does not flow even during the fall, thereby preventing the internal short circuit of the secondary battery.
  • a pouch type secondary battery including one or more through holes.
  • the through holes are formed in an electrode assembly including an anode, a cathode, and a separator, and a pouch sheath including the same, and are formed at the same position so that the through holes of the electrode assembly and the through holes of the pouch sheath can correspond to each other.
  • a secondary battery including the above through hole is formed.
  • the secondary battery according to the present invention can more firmly fix the pouch case and the electrode assembly through the through-holes, preventing the electrode assembly from flowing inside the pouch case, and safety when applying an external force such as a drop or an external impact. To improve.
  • the shape of the through hole formed in the secondary battery is not particularly limited, and may be formed in various shapes such as a curvature diagram, a rectangle, a triangle, and the like processed to have a curvature of a circle, an oval, and other vertices.
  • a curvature diagram a rectangle, a triangle, and the like processed to have a curvature of a circle, an oval, and other vertices.
  • the through hole is preferably formed in a circular shape.
  • the through holes of the electrode assembly and the through holes of the pouch sheath may have different shapes and may have the same shape, but in detail, may be formed in a circular shape having the same shape.
  • the size of the through hole of the electrode assembly and the through hole formed in the pouch sheath is not particularly limited, but the size of the through hole of the electrode assembly is preferably larger than the size of the through hole of the corresponding pouch sheath material.
  • the size and number of the through holes according to the present invention are not particularly limited and may be variously designed according to the use and shape of the battery.
  • the through holes are formed in a minimum size and number to fix the electrode assembly and the pouch sheathing material. desirable.
  • all the areas occupied by the through holes may be configured to occupy 2% to 20% based on the plane of the electrode assembly. If the ratio of the through-holes outside the above range becomes higher, there may be a problem that the capacity of the battery is lowered. If the ratio is not reached, it is difficult to effectively fix the electrode assembly to the battery exterior material.
  • a plurality of through holes of a small size may be evenly distributed on the plane of the secondary battery within the range of the area ratio as described above, and in this case, the plurality of through holes are formed to be spaced at equal intervals. This is preferable.
  • the plurality of through holes may be arranged in a line at the center of the battery along the long side of the pouch type secondary battery, or may be arranged in a line at the center of the battery along the short side of the secondary battery.
  • the through-holes formed at both ends are formed to be spaced apart from the end by the same distance, and in detail, two through-holes are formed at positions symmetrical with respect to the center by being spaced at the same distance from both ends. Formation may allow the electrode assembly and the battery packaging material to be fixed.
  • the area of one through-hole is preferably formed to be 1% to 10% based on the planar area of the entire secondary battery.
  • the sealing with the battery exterior material may be formed at a position spaced apart by L / 6 length from both ends with respect to the length L of the long side of the secondary battery.
  • the through hole may be formed by assembling an electrode assembly including a plurality of electrodes and a separator, and then storing the through hole in a battery exterior material, and forming the through hole and further sealing, in a predetermined shape and position.
  • an electrode assembly having a through hole formed therein and an electrode assembly having a through hole formed therein may be manufactured using a battery exterior member having a through hole formed at a corresponding position.
  • the electrode assembly of the present invention may not only fix the electrode assembly by including one or more through holes therein, but also significantly increase the impregnation of the electrolyte.
  • the impregnation of the electrolyte is difficult to penetrate the electrolyte solution into the interior of the electrode assembly, the impregnation is poor, but the electrode assembly of the present invention includes one or more through holes therein, the electrolyte also penetrates through the electrode assembly inside here Is possible, there is an effect that the electrolyte impregnation of the electrode assembly can be significantly increased.
  • the shape of the electrode assembly according to the present invention is not particularly limited, a jelly roll-type electrode assembly of the structure wound around a long sheet-shaped anode and cathode and a separator therebetween;
  • Assembly A Z-stack & folding electrode assembly wound around the long film type separator in a zigzag direction;
  • the electrode assembly such as a stacked electrode assembly having a structure in which a plurality of unit cells are stacked, may be any one.
  • the secondary battery according to the present invention heat-sealed or heat-sealed the sealing portion of the peripheral edge of the battery packaging material and the portion of the battery cell is located by the heat sealing jig after storing the electrode assembly in the battery packaging material
  • the through part can be formed by forming the through hole by a method such as punching.
  • Such a through part may be manufactured using a thermal fusion jig configured to be thermally compressed to the same part as the shape and location of the through hole, but is not limited thereto.
  • the size of the through hole may be smaller than the size of the through hole formed on the electrode assembly. This is because a sealing margin in which the battery exterior material may be sealed inside the through hole is required.
  • the sealing portion of the battery packaging material formed along the inner circumferential surface of the through-hole on the secondary battery it is preferably disposed in the battery module, folding the sealing margin in either direction to facilitate the installation of the fixed rod or the cooling line.
  • the secondary battery according to the present invention may be a secondary battery in which the positive electrode lead and the negative electrode lead protrude in the same direction, or may be a secondary battery in which the positive electrode lead and the negative electrode lead protrude in opposite directions.
  • the battery packaging material may have an electrode assembly accommodating space in which a space is formed to accommodate the electrode assembly, or may be formed in only one of the upper and lower portions thereof, or a storage space of the electrode assembly may be formed in both the upper and lower portions thereof.
  • the pouch packaging material may use a known packaging material, for example, the packaging material is a pouch-type packaging material in the form of a laminate sheet including a metal layer and a resin layer.
  • the pouch type exterior material of an aluminum laminate sheet is preferable.
  • the laminate sheet is composed of an outer coating layer of a polymer film, a barrier layer of a metal foil, and an inner sealant layer of a polyolefin series, and the outer coating layer must have excellent resistance from an external environment, and thus, it is necessary to have a predetermined tensile strength and weather resistance.
  • a stretched nylon film or polyethylene terephthalate (PET) may be preferably used as the polymer resin of the outer resin layer.
  • the barrier layer may be aluminum in detail so as to exert a function of improving the strength of the battery case in addition to the function of preventing the inflow or outflow of foreign substances such as gas and moisture.
  • the inner sealant layer has a heat sealability (heat adhesiveness) and a low hygroscopicity to suppress the invasion of the electrolyte solution, a polyolefin resin that is not expanded or eroded by the electrolyte may be preferably used, more specifically, no stretch Polypropylene (cPP) can be used.
  • the outer coating layer and the inner sealant layer may be formed in two or more layers.
  • the outer coating layer may be a PET / ONy layer
  • the inner sealant layer may be formed of a double structure such as PPa (Acid modified PP / cPP). It may be, but is not limited to such.
  • the electrode lead may be formed of, for example, one or more metals selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, copper, nickel, titanium, tantalum, and niobium, but is not limited thereto.
  • the electrode lead is a cathode
  • one or more metals selected from the group consisting of copper, nickel, stainless steel, and alloys thereof are preferred, but not limited thereto.
  • the joining method can also use well-known methods, such as a laser and ultrasonic welding, and is not specifically limited.
  • the secondary battery according to the present invention may not only be used in a battery cell used as a power source for a small device but also as a unit battery in a medium or large battery module or battery pack including a plurality of battery cells that may be used as a power source for a medium and large device. It can be used preferably.
  • a battery module or a battery pack including a plurality of secondary batteries according to the present invention is provided by the fixing rod through the through-hole formed in the secondary battery that the plurality of secondary batteries are separated or flow by external shaking or impact, etc. It can be prevented, or by installing a cooling line through the through-hole to prevent overheating due to the use of the battery and further has the effect of preventing heat, fire, etc. in the event of an emergency.
  • the medium and large devices include a power tool; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters; Electric Golf Carts; Electric trucks; Electric commercial vehicles; Power storage systems and the like, but are not limited thereto.
  • Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric two-wheeled vehicles including E-bikes and E-scooters; Electric Golf Carts; Electric trucks; Electric commercial vehicles; Power storage systems and the like, but are not limited thereto.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view schematically showing a secondary battery according to one embodiment of the present invention.
  • the pouch-type battery of FIG. 3 except for the features of the present invention is substantially the same as a conventional pouch-type battery which is generally used, descriptions of the other matters except for the features of the present invention may be omitted. .
  • the pouch type secondary battery of the present invention includes an electrode assembly 10 having a plurality of through holes 40 and a battery exterior member 50.
  • the through holes 40 may be formed at two symmetrical positions at both ends of the electrode assembly with respect to the long length direction of the electrode assembly as shown in FIG. 3, but are not limited thereto and may be freely designed by those skilled in the art. Of course.
  • the battery packaging material 50 included in the present invention may use a well-known pouch type battery packaging material conventionally used, or a battery in which a through hole having a smaller size is formed at a position corresponding to the through hole 40 formed in the electrode assembly. Exterior materials may also be used. In this case, the size of the through hole formed in the battery packaging material is smaller than the size of the through hole formed in the electrode assembly because a sealing margin for sealing the battery packaging material along the inner circumferential surface of the through hole is required.
  • FIG. 6 is a perspective view of a secondary battery according to the present invention.
  • the secondary battery according to the present invention includes a through hole 40 penetrating the secondary battery as shown in Figure 6, the inside of the through hole is formed with a sealing portion in which the battery exterior material is sealed along the inner peripheral surface.
  • the electrode assembly and the battery exterior member are completely fixed and integrated by the additional sealing through the through hole.
  • the additional sealing step by the formation of the through hole is not particularly limited in order, and may seal the inner peripheral surface of the through hole at the same time when sealing the edge sealing portion of the battery packaging material, and finally after the activation step of the secondary battery additional sealing It may be formed by.
  • the through hole is formed in the battery packaging material in advance, it is preferable to seal the inner circumferential surface of the through hole together when forming the corner sealing portion of the battery packaging material. This is to facilitate the electrolyte injection step.
  • the through hole may be formed using a jig designed to be pressurized for sealing to a corresponding portion according to the position and shape of the through hole, but is not limited thereto.
  • FIG. 6 is a perspective view of a secondary battery in which the positive electrode lead 20 and the negative electrode lead 30 protrude in the same direction, and the receiving portion of the electrode assembly is formed only on the lower battery exterior side, but is not limited thereto.
  • FIG. 7 illustrates a battery module 110 including a plurality of secondary batteries 50 according to the present invention.
  • FIG. 8 illustrates a battery module 110 including through holes 40 formed in the plurality of secondary batteries. It is a perspective view of an embodiment in which the fixed rod or cooling line 120 is installed.
  • the battery module according to the present invention secures a plurality of secondary batteries through the through-holes to prevent the separation or flow of the battery due to external pressure, or to maintain the unit battery at an appropriate temperature level through the cooling line safety of the battery module It can greatly improve the performance and provide the effect of improving the performance and lifespan.
  • a secondary through hole having a circular through hole having a size of 3% compared to a plane of the secondary battery is formed at a position spaced apart from both ends of the secondary battery by an interval 1/6 of the length of the secondary battery.
  • the battery was prepared.
  • the through holes were formed in the electrode assembly and the battery packaging material in advance, and the through sealing was formed by thermally bonding the edge sealing parts of the battery packaging material and the margin of the battery packaging material sealing portion of the inner circumferential surface of the through hole using a heat fusion jig.
  • a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the through hole was not formed.
  • each of 20 batteries was repeatedly performed, and the front dropping experiment was performed by 100 times of free-falling on the iron plate at a height of 180 cm so that the electrode terminal portion face downward.
  • the cells of the example according to the present invention did not cause a short circuit in all 20 cells in the drop test. That is, by forming an additional through-sealing portion in the electrode assembly and the battery packaging material, the electrode assembly does not flow even during the fall, thereby preventing the internal short circuit of the secondary battery.

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Abstract

본 발명은 다공성 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 대한 것으로, 다수의 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체에 있어서, 하나 이상의 관통구를 포함하는 전극조립체 및 상기 관통구에 대응되는 위치에 추가 실링된 관통 실링부를 포함하는 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체와 전지케이스의 융착 부위를 추가하여 안정적으로 고정함으로써 전극조립체의 이동을 억제하여 내부 단락 등을 방지하고 안전성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 다공성 구조의 전극조립체의 구성으로 인하여 전해액의 함침성을 크게 높일 수 있는 효과가 있다. 나아가, 상기 이차전지를 다수 포함하는 전지모듈에서는 상기 관통구를 통하여 냉각 라인 또는 고정봉을 설치함으로써 전지의 안전성 및 성능, 수명을 향상시키는 효과를 제공한다.

Description

다공성 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
본 출원은 2011년 9월 20일 한국특허청에 제출된 한국특허출원 제10-2011-0094779호 및 2011년 9월 30일 한국특허청에 제출된 한국특허출원 제10-2011-0100272호의 우선권을 청구하며, 본 명세서에서 참조로서 통합된다.
본 발명은 다공성 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 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 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 전극조립체(300), 전극조립체(300)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(310, 320), 전극 탭들(310, 320)에 용접되어 있는 전극리드(410, 420), 및 전극조립체(300)를 수용하는 전지케이스(200)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(300)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(310, 320)은 전극조립체(300)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(410, 420)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(310, 320)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(200)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(410, 420)의 상하면 일부에는 전지케이스(200)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(430)이 부착되어 있다.
케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(300)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(300)의 경우, 다수의 양극 탭들(310)과 다수의 음극 탭들(320)이 전극리드(410, 420)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(200) 내부 상단은 전극조립체(300)로부터 소정 간격으로 이격되어 있다.
또한, 상기 전극조립체(300)와 전지케이스(200)는 전극리드(410, 420)와 함께 전지케이스의 실링부위를 실링함으로써 서로 고정되어 있을 뿐이므로, 고정력이 약하여 전극조립체(300)가 전지케이스(200) 내부에서 유동하는 문제가 있다.
한편, 도 2에는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 전지케이스 내부 상단의 부분 확대도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(300)의 양극 집전체(301)로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 양극 탭들(310)은, 예를 들어, 용접에 의해 일체로 결합된 용착부의 형태로 양극리드(410)에 연결된다. 그러한 양극리드(410)는 양극 탭 용착부가 연결되어 있는 대향 단부(412)가 노출된 상태로 전지케이스(200)에 의해 밀봉된다.
다수의 양극 탭들(310)이 일체로 결합되어 용착부를 형성함으로 인해, 전지케이스(200)의 내부 상단은 전극조립체(300)의 상단면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있고, 용착부의 양극 탭들(310)은 대략 V자 형상으로 절곡되어 있다.
따라서, 전극 탭들과 전극리드의 결합부위를 V-포밍(V-forming) 부위로 칭하기도 한다. 이와 같은 파우치형 이차전지에서, 전극조립체는 전지의 진동 또는 낙하시 V-포밍 부위의 빈 공간으로 인하여, 전지케이스와의 계면을 따라 쉽게 이동된다.
특히, 전지케이스 내부에 주입되는 리튬염 함유 전해액은 전극조립체와 전지케이스의 계면에서 일종의 윤활유로 작용하여, 전극조립체의 이동을 더욱 촉진시킨다. 이러한 전극조립체의 이동은 상기 V-포밍 부위에서 서로 다른 전극들의 접촉에 의한 내부단락의 원인이 되며, 궁극적으로 전지의 안전성을 저하시키므로, 파우치형 전지를 제조함에 있어서 안전성을 확보할 수 있는 방안이 필요하다.
이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2005-183820호에서는 양극/분리막/음극으로 이루어진 전극조립체를, 상호 절연상태로 결합되는 상부 및 하부 전지케이스에 내장하는 것으로 구성된 이차전지에 있어서, 상기 전극조립체의 외표면을 이루는 전극과 상부 및 하부 케이스의 내표면 사이에 각각, 도전성 접착제 및 전해질에 포함되어 있는 유기용매로 구성된 접착층을 형성하여 열처리함으로써, 전극조립체를 전지케이스 내부에 안정적으로 고정하고 전극조립체의 전극과 상부 및 하부 케이스를 전기적으로 연결하는 것으로 구성된 이차전지를 제공하고 있다.
그러나, 상기의 기술은, 접착층이 페이스트로 제조되어 도포되고 열처리에 의해서 접착성을 발현하기 때문에, 전체적으로 전지의 제조공정이 복잡하며, 접착층의 열처리 과정 중 전극 활물질 및 전해질 등의 타 구성원들의 열화를 초래하는 단점을 갖고 있다.
따라서, 전지 외장재 내부에서 전극조립체의 유동을 방지하여 전반적인 안전성을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 전지케이스와 전극조립체를 안정적으로 고정함으로써 전극조립체의 이동을 억제하여 내부 단락을 방지할 수 있고, 궁극적으로 우수한 안전성을 확보할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전해액에 대한 함침성이 향상된 전극조립체를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 이차전지를 다수 포함하여 안정적으로 고정함으로써 안전성을 향상시킨 이차전지 모듈 또는 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, (다수의) 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체에 있어서, 하나 이상의 관통구를 포함하는 전극조립체를 제공한다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구는 2개인 것일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구는 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 사각형 및 삼각형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 모양, 상세하게는 원형으로 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구는 동일한 모양으로 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구는 같은 간격으로 이격되어 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구는 전극조립체의 장변 또는 단변 방향으로 그 중심부를 따라 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구가 차지하는 전체 면적은 전극조립체의 평면적 대비 2% ~ 20%인 것일 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는 젤리-롤형, 스택형, 스택/폴딩형 및 Z-스택/폴딩형의 구조 중 선택된 어느 하나의 구조인 것일 수 있다.
아울러, 본 발명은 상기 전극조립체, 파우치 외장재 및 관통 실링부를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공한다.
또한, 상기 파우치 외장재는 내부 수지층, 금속 박막 및 외부 수지층의 구조로 이루어진 것일 수 있다.
또한, 상기 관통 실링부는 전극조립체 상에 형성된 하나 이상의 관통구를 덮는 파우치 외장재의 해당 부분을 실링하여 형성된 것일 수 있다.
아울러, 본 발명은 상기 파우치형 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈 또는 전지팩을 제공한다.
또한, 상기 전지모듈 또는 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 이용되며, 상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나인 것일 수 있다.
아울러, 본 발명은 양극, 음극 및 분리막 상의 동일한 위치에 하나 이상의 관통구를 포함하는 전극조립체; 및 내부 수지층, 금속 박막 및 외부 수지층의 구조로 이루어진 파우치 외장재;를 포함하며, 전극조립체 상에 형성된 상기 관통구과 대응되는 위치의 파우치 외장재를 추가 실링하는 것을 특징으로 하는, 관통 실링부를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 관통 실링부는 해당 부위를 가압할 수 있도록 관통구의 위치 및 형상과 대응되는 가압부를 갖는 열융착 장치를 이용하여 제조되는 것일 수 있다.
다른 측면으로, 본 발명은 하나 이상의 관통구를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공한다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체; 및 이를 포함하는 파우치 외장재; 중 적어도 하나 이상에 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구는 전극조립체의 관통구와 파우치 외장재의 관통구가 서로 대응될 수 있도록 동일한 위치에 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 전극조립체의 관통구와 파우치 외장재의 관통구는 동일한 모양으로 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 전극조립체의 관통구의 크기는 대응되는 파우치 외장재의 관통구의 크기보다 더 큰 것일 수 있다.
여기서, 상기 전극조립체의 관통구는 그 내주면을 따라 형성되는 추가 실링부의 너비만큼 파우치 외장재의 관통구보다 더 큰 것일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구는 같은 간격으로 이격되어 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구는 파우치형 이차전지의 장변 또는 단변 방향으로 그 중심부를 따라 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 전극조립체의 관통구 내주면을 따라 추가 실링부가 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구는 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 사각형 및 삼각형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 모양, 상세하게는 원형으로 형성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 관통구가 차지하는 전체 면적은 파우치형 이차전지의 평면적 대비 2% ~ 20%인 것일 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는 젤리-롤형, 스택형, 스택/폴딩형 및 Z-스택/폴딩형의 구조 중 선택된 어느 하나의 구조인 것일 수 있다.
아울러, 본 발명은 상기 파우치형 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.
또한, 상기 전지모듈은 단위전지에 형성된 하나 이상의 관통구를 통하여 냉각라인이 연결된 것일 수 있다.
또한, 상기 전지모듈은 단위전지에 형성된 하나 이상의 관통구를 통하여 단위전지 고정봉이 연결된 것일 수 있다.
또한, 상기 전지모듈은 중대형 디바이스의 전원으로 이용되며, 상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 이-바이크(E-bike), 이-스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나인 것일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체와 전지케이스의 융착 부위를 추가하여 안정적으로 고정함으로써 전극조립체의 이동을 억제하여 내부 단락 등을 방지하고 안전성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 다공성 구조의 전극조립체의 구성으로 인하여 전해액의 함침성을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.
나아가, 본 발명은 상기 이차전지의 관통구를 이용하여 다수의 이차전지를 배열 및 고정하거나 냉각시킴으로써 하나 이상의 많은 이차전지를 포함하는 이차전지 모듈 또는 전지팩의 안전성 및 성능, 수명을 보다 향상시킬 수 있는 이차전지 모듈 또는 전지팩을 제공한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 전지케이스 내부 상단의 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다.
도 4는 상기 도 3에 따른 이차전지의 결합된 상태의 사시도이다.
도 5는 상기 다른 하나의 실시예에 따른 이차전지의 결합된 상태의 사시도이다.
도 6은 상기 도 3에 따른 이차전지를 실링한 상태에 대한 사시도이다.
도 7는 상기 도 3에 따른 이차전지를 다수 포함하는 이차전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 8은 상기 이차전지 모듈에 있어, 이차전지 관통구를 통해 냉각라인을 연결한 실시예에 대한 분해 사시도이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 해결하기 위하여,
(다수의) 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체에 있어서, 실링을 위한 하나 이상의 관통구를 포함하는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 전지 외장재 모서리의 실링부 이외에 상기 실링을 위한 하나 이상의 관통구를 통하여 전극조립체와 전지 외장재를 추가로 실링함으로써 전극조립체가 전지 외장재 내부에서 이동하는 것을 억제하고 낙하, 외부 충격 등과 같은 외력의 인가시 안전성을 향상시킬 수 있다. 특히, 외부 충격이나 흔들림이 많은 전지 자동차와 같은 중대형 디바이스의 전원으로 이용되는 경우 전극조립체의 유동에 따른 내부 단락 및 이에 따른 발열, 발화 등의 위험을 예방하고 안전성을 크게 높일 수 있다.
상기 관통구의 형상은 특별히 제한하지 아니하며, 원형, 타원형, 기타 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률도형, 사각형, 삼각형 등의 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 다만, 전극조립체에 포함되는 전극 또는 분리막이 찢어지거나 손상되는 것을 방지하기 위해서는 되도록 모서리나 각이 없는 형상으로 관통구를 형성함이 바람직하다. 따라서 상기 관통구는 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 관통구의 크기 및 개수도 특별히 제한하지 아니하며, 전지의 용도 및 형상 등에 따라 다양하게 설계가 가능할 것이다. 다만 관통구의 크기가 너무 크거나 너무 많은 수의 관통구를 형성하는 경우, 전지의 용량 측면에서 불리할 수 있으므로, 상기 관통구는 전극조립체와 전지 외장재를 고정할 수 있는 최소한의 크기 및 개수로 형성됨이 바람직하다.
더욱 상세하게는 상기 관통구가 차지하는 모든 면적이 전극조립체의 평면을 기준으로 2% 내지는 20%를 차지하도록 구성하는 것일 수 있다. 상기 범위를 벗어나 관통구가 차지하는 비율이 더 높아지면 전지의 용량이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 상기 비율에 도달하지 않는 경우에는 효과적으로 전극조립체를 전지 외장재와 고정하기 어렵기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기와 같은 면적 비율의 범위 내에서 작은 사이즈의 다수 관통구를 전극조립체 상에 고르게 분포 형성할 수도 있으며, 이 보다 큰 사이즈의 관통구는 전극조립체의 중심을 기준으로 긴 길이 방향으로 대칭되는 양 끝 단에 두 개의 관통구를 형성하여 최소한의 관통구의 형성으로 전극조립체와 전지 외장재가 고정될 수 있도록 할 수 있다.
이 때 하나의 관통구의 면적은 전체 전극조립체의 평면적을 기준으로 1% ~ 10%가 되도록 형성함이 바람직하다.
다만, 공정의 편의를 위해서는 전극조립체의 무게 중심이 될 수 있는 지점, 즉, 전극조립체의 중심을 기준으로 긴 길이 방향으로 대칭되는 양 끝단에 두개의 관통구만을 형성하는 경우에 전지 외장재와의 실링이 보다 용이하고 편이할 수 있어 바람직하며, 예를 들면, 전극조립체의 길이 방향의 길이(L)에 대하여 양 끝단으로부터 L/6 길이만큼 이격된 위치에 상기 관통구를 형성할 수도 있다.
한편, 상기 관통구는 다수의 전극 및 분리막을 포함하는 전극조립체를 조립한 후에 한번에 이를 관통하는 관통구를 형성할 수도 있고, 이미 예정된 모양과 위치에 동일하게 관통구가 형성된 전극 및 분리막을 이용하여 관통구가 형성된 전극조립체를 제조할 수도 있다.
본 발명의 전극조립체는 안쪽에 하나 이상의 관통구를 포함함으로써 전극조립체를 고정할 수 있음은 물론, 나아가 전해액의 함침성을 크게 높일 수도 있다.
일반적으로 전해액의 함침성은 전극조립체의 내부쪽으로 전해액이 침투하기 어려워 함침성이 떨어지는 것이 사실이나, 본 발명의 전극조립체는 내부에 하나 이상의 관통구를 포함함으로써 전해액이 이곳을 통하여 전극조립체 내부로도 침투가 가능한바, 전극조립체의 전해액 함침성이 크게 높아질 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 전극조립체의 형태는 특별히 한정하지 않으며, 긴 시트 형상의 양극 및 음극과 그 사이에 분리막을 개재하여 권취한 구조의 젤리 롤형 전극조립체; 양극, 음극 및 분리막을 포함하며, 양쪽 최말단 전극이 동일하거나 또는 서로 다른 전극으로 형성된 단위셀을 긴 필름형 분리막 위에 다수 배치한 후 단일방향으로 권취한 스택(stack) & 폴딩(folding)형 전극조립체; 상기 긴 필름형 분리막을 지그재그 방향으로 권취한 Z-스택 & 폴딩형 전극조립체; 다수의 단위셀을 적층한 구조의 스택형 전극조립체 등의 전극조립체 중 어느 하나 일 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 전극조립체를 포함하고 상기 전극조립체의 관통구 부분에 전지 외장재를 추가 실링하여 형성된 관통 실링부를 포함하는 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지는 상기 전극조립체를 전지 외장재에 수납한 후에 열 융착 지그에 의하여 전지 외장재의 주변 모서리의 실링부 및 상기 전극조립체 상에 관통구가 위치한 부분의 전지 외장재를 열 융착 함으로써 상기 관통 실링부를 형성할 수 있다.
이와 같은 관통 실링부의 형성은 전극조립체 상에 위치한 관통구의 모양 및 위치와 동일한 부분에 열 압착이 가능하도록 구성된 열 융착 지그를 이용하여 제조가 가능하나 이에 한정되는 것은 아니다.
이때 상기 이차전지는 양극리드와 음극리드가 동일한 방향으로 돌출된 이차전지일 수 있으며, 또는 양극리드와 음극리드가 서로 상반되는 방향으로 돌출된 이차전지 일 수도 있다.
또한, 전지 외장재는 전극조립체를 수납할 수 있도록 공간이 형성된 전극조립체 수납 공간이 상부 또는 하부의 어느 한쪽에만 형성된 것일 수도 있고, 상부와 하부 모두에 전극조립체의 수납 공간이 형성된 것일 수도 있다.
한편, 상기 파우치형 외장재는 공지의 외장재를 이용할 수 있으며, 예를 들면 상기 외장재는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트 형태의 파우치형 외장재가 바람직하다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 외장재가 바람직하다. 상기 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 배리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성되어 있으며 상기 외부 피복층은 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. 상기 배리어층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 유출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 상기 내부 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀계 수지가 사용될 수 있으며, 더욱 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(cPP)이 사용될 수 있다.
나아가 상기 외부 피복층과 내부 실란트층은 2 중층 이상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 외부 피복층은 PET/ONy층, 내부 실란트층은 PPa(산 변성(Acid modified) PP/cPP와 같은 이중 구조로 구성될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전극 리드는 양극의 경우, 예를 들어, 알루미늄, 스텐레스, 동, 니켈, 티탄, 탄탈 및 니오브로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
전극 리드가 음극의 경우, 예를 들어, 구리, 니켈, 스테인레스스틸, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 그 접합 방법도 레이저나, 초음파 용접과 같은 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수 있는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스로는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3의 파우치형 전지는 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들은 일반적으로 사용되는 종래의 파우치형 전지와 대략 동일하므로 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들에 대한 설명은 생략할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 파우치형 이차전지는 다수의 관통구(40)가 형성된 전극조립체(10) 및 전지 외장재(50)를 포함한다.
상기 관통구(40)는 도 3에서와 같이 전극조립체의 긴 길이 방향을 기준으로 양 끝 단의 대칭되는 위치에 2개를 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 당업자에 의하여 자유롭게 설계될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 포함되는 전지 외장재(50)는 종래 이용되는 공지의 파우치형 전지 외장재를 이용할 수 있다.
도 4 및 도 5는 전극조립체를 수납하고 전지 외장재를 실링한 상태의 이차전지에 대한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지는 수납된 전극조립체 상에 형성된 관통구 부분과 닿는 전지 외장재 부분을 열 융착 등의 방법으로 추가 실링하여 관통 실링부(40)를 형성함으로써 전극조립체와 전지 외장재를 완전히 고정하여 일체화한다.
상기 관통 실링부를 형성하는 추가 실링 단계는 특별히 그 순서를 한정하지 아니하며, 전지 외장재의 모서리 실링부를 실링할 때에 동시에 실링하여 관통 실링부를 형성할 수도 있고, 이차전지의 활성화 단계를 수행한 후 최종적으로 추가 실링하여 형성할 수도 있다.
상기 관통 실링부의 형성은 전극조립체의 관통구가 형성된 위치와 대응하는 전지 외장재에 열과 압력을 가할 수 있도록 형성된 지그를 이용하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 양극리드(20)와 음극리드(30)가 동일한 방향으로 돌출된 이차전지로서 전극조립체의 수납부가 하부 전지 외장재 쪽에만 형성된 이차전지에 대한 사시도이며, 도 5는 양극리드(20)와 음극리드(30)가 서로 다른 방향으로 돌출되었으며, 전극조립체의 수납부가 하부 및 상부 전지 외장재 모두에 형성된 이차전지에 대한 사시도이다.
본 발명에 따른 이차전지는 관통 실링부 부위에 실링에 의해 움푹 들어간 요철이 형성될 수 있으며, 파우치형 전극조립체가 손상되는 것을 방지하기 위해서는 관통실링부의 단면을
Figure PCTKR2012007526-appb-I000001
형태로 형성함이 바람직할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 내용을 더욱 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명의 효과를 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 3과 같이, 전극조립체의 평면적 대비 3%가 되는 크기의 원형 관통구를, 전극조립체의 양 끝단으로부터 전극조립체의 길이 대비 1/6 되는 간격만큼 이격된 위치에 2개의 관통구를 형성한 전극조립체를 형성하였다.
이를 전지 외장재에 수납한 후 열 융착 지그를 이용하여 전지 외장재의 모서리 실링부 및 상기 관통구의 위치를 열 융착하여 관통 실링부를 포함하는 이차전지를 제조하였다.
비교예 1
상기 관통구 및 관통 실링부를 형성하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
실험예 1
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 전지들을 대상으로 전방 낙하 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
본 실험에서는 각각 20개의 전지들에 대해 반복적으로 수행하였고, 전방 낙하 실험은 전극단자 부위가 아래로 향하도록 180cm 높이에서 철판 상에 자유 낙하시키는 과정을 100회 진행하는 과정으로 수행하였다.
표 1
낙하시 단락된 전지의 수
실시예 1 0
비교예 1 15
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들은 낙하 실험에서 20 개 전지 모두에서 단락이 유발되지 않았다. 즉, 전극조립체와 전지 외장재에 추가적인 관통 실링부를 형성함으로써 낙하시에도 전극조립체가 유동하지 아니하여 이차전지의 내부 단락을 방지할 수 있었다.
반면에, 비교예 1에 따른 대부분의 전지에서는 대략 85회의 낙하에서 전지 외장재 내부의 전극조립체가 이탈 또는 유동하여 전지의 변형 및 내부 단락이 확인되었다. 또한, 비교예 1의 전지에서는, 전해액의 주입과정에서 주입된 전해액의 양이 목표하는 주액량에 크게 미달되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 전해액의 주입 후 동일한 시간 조건(5 분)에서 전극조립체에 의한 전해액의 함침량을 비교하여 본 결과, 비교예 1의 전지는 실시예 1의 전지에 비해 약 60%의 함침률을 나타내었다.
따라서, 비교예 1의 전지가 동일한 전해액 함침량을 나타내기 위해서는 훨씬 장시간이 소요됨을 알 수 있으며, 이는 전지의 제조공정 시간을 장기간 연장시켜야 함을 의미한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 하나 이상의 관통구를 포함하는 파우치형 이차전지가 제공된다.
이때, 상기 관통구들은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체, 및 이를 포함하는 파우치 외장재에 형성되며, 전극조립체의 관통구와 파우치 외장재의 관통구가 서로 대응될 수 있도록 동일한 위치에 형성되어, 하나 이상의 관통구를 포함하는 이차전지를 형성한다.
본 발명에 따른 이차전지는 상기 관통구를 통하여 파우치 외장재와 전극조립체를 보다 단단하게 고정할 수 있어, 전극조립체가 파우치 외장재 내부에서 유동하는 것을 방지하고, 낙하, 외부 충격 등과 같은 외력의 인가시 안전성을 향상시킬 수 있도록 한다.
특히, 외부 충격이나 흔들림이 많은 전지 자동차와 같은 중대형 디바이스의 전원으로 이용되는 경우 전극조립체의 유동에 따른 내부 단락 및 이에 따른 발열, 발화 등의 위험을 예방하고 안전성을 크게 높일 수 있다.
상기 이차전지에 형성되는 관통구의 형상은 특별히 제한하지 아니하며, 원형, 타원형, 기타 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률도형, 사각형, 삼각형 등의 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 다만, 전극조립체에 포함되는 전극 또는 분리막이 찢어지거나 손상되는 것을 방지하기 위해서는 되도록 모서리나 각이 없는 형상으로 관통구를 형성함이 바람직하다. 따라서 상기 관통구는 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전극조립체의 관통구와 파우치 외장재의 관통구는 각각 다른 모양일 수 있고, 서로 동일한 모양일 수 있으나, 상세하게는 동일한 모양의 원형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극조립체의 관통구와 파우치 외장재에 형성된 관통구의 크기 또한 특별히 한정하지 않을 것이나, 다만, 상기 전극조립체의 관통구의 크기는 대응되는 파우치 외장재의 관통구의 크기보다 더 큰 것이 바람직하다.
이는 상기 전극조립체 관통구 내주면을 따라 파우치 외장재에 의한 추가 실링부가 형성되도록 하기 위함이며, 이에 따라, 상기 전극조립체의 관통구의 크기가 이에 대응되는 파우치 외장재에 형성되는 관통구의 크기보다 큰 정도는 상기와 같이 추가 실링부가 형성될 수 있는 정도의 면적이라면 만족될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 관통구들의 의 크기 및 개수도 특별히 제한하지 아니하며, 전지의 용도 및 형상 등에 따라 다양하게 설계가 가능할 것이다.
다만 관통구의 크기가 너무 크거나 너무 많은 수의 관통구를 형성하는 경우, 전지의 용량 측면에서 불리할 수 있으므로, 상기 관통구는 전극조립체와 파우치 외장재를 고정할 수 있는 최소한의 크기 및 개수로 형성됨이 바람직하다.
더욱 상세하게는 상기 관통구가 차지하는 모든 면적이 전극조립체의 평면을 기준으로 2 % 내지는 20%를 차지하도록 구성하는 것일 수 있다. 상기 범위를 벗어나 관통구가 차지하는 비율이 더 높아지면 전지의 용량이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 상기 비율에 도달하지 않는 경우에는 효과적으로 전극조립체를 전지 외장재와 고정하기 어렵기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기와 같은 면적 비율의 범위 내에서 작은 사이즈의 다수 관통구를 이차전지의 평면 상에 고르게 분포 형성할 수도 있으며, 이 때, 다수의 관통구는 등 간격으로 이격되도록 형성함이 바람직하다.
하나의 실시예에서 상기 다수의 관통구는 파우치형 이차전지의 장변을 따라 전지의 중심부에 일렬로 배치하거나, 또는 이차전지의 단변을 따라 전지의 중심부에 일렬로 배치되는 것일 수 있다.
이때, 양 끝 단에 형성되는 관통구는 끝단으로부터 동일한 간격이 이격되도록 형성하며, 상세하게는 양 끝단으로부터 동일한 간격으로 이격되어 중심을 기준으로 대칭되는 위치에 두 개의 관통구를 형성하여 최소한의 관통구의 형성으로 전극조립체와 전지 외장재가 고정될 수 있도록 할 수 있다.
이 때 하나의 관통구의 면적은 전체 이차전지의 평면적을 기준으로 1% ~ 10%가 되도록 형성함이 바람직하다. 다만, 공정의 편의를 위해서는 이차전지의 무게 중심이 될 수 있는 지점, 즉, 전극조립체의 중심을 기준으로 긴 길이 방향으로 대칭되는 양 끝단에 두개의 관통구만을 형성하는 경우에 전지 외장재와의 실링이 보다 용이하고 편이할 수 있어 바람직하며, 예를 들면, 이차전지의 장변의 길이(L)에 대하여 양 끝단으로부터 L/6 길이만큼 이격된 위치에 상기 관통구를 형성할 수도 있다.
한편, 상기 관통구는, 다수의 전극 및 분리막을 포함하는 전극조립체를 조립한 후에 이를 전지 외장재에 수납한 후 실링하고, 상기 관통구를 형성하고 추가 실링함으로써 형성할 수도 있고, 이미 예정된 모양과 위치에 동일하게 관통구가 형성된 전극 및 분리막을 이용하여 관통구가 형성된 전극조립체 및 대응되는 위치에 관통구가 형성된 전지 외장재를 이용하여 제조할 수도 있다.
상기와 같은 본 발명의 전극조립체는 안쪽에 하나 이상의 관통구를 포함함으로써 전극조립체를 고정할 수 있음은 물론, 나아가 전해액의 함침성을 크게 높일 수도 있다.
일반적으로 전해액의 함침성은 전극조립체의 내부쪽으로 전해액이 침투하기 어려워 함침성이 떨어지는 것이 사실이나, 본 발명의 전극조립체는 내부에 하나 이상의 관통구를 포함함으로써 전해액이 이곳을 통하여 전극조립체 내부로도 침투가 가능한바, 전극조립체의 전해액 함침성이 크게 높아질 수 있는 효과가 있다.
다만, 관통구가 미리 형성된 전지 외장재를 이용하는 경우에는 관통구 부분에 대한 실링 공정이 모두 종료된 이후에 전해액을 주입하고 전지를 활성화 함이 바람직하다. 그렇지 아니하면 전해액이 누출된 위험이 있기 때문이다.
한편, 본 발명에 따른 상기 전극조립체의 형태는 특별히 한정하지 않으며, 긴 시트 형상의 양극 및 음극과 그 사이에 분리막을 개재하여 권취한 구조의 젤리 롤형 전극조립체; 양극, 음극 및 분리막을 포함하며, 양쪽 최말단 전극이 동일하거나 또는 서로 다른 전극으로 형성된 단위셀을 긴 필름형 분리막 위에 다수 배치한 후 단일방향으로 권취한 스택(stack) & 폴딩(folding)형 전극조립체; 상기 긴 필름형 분리막을 지그재그 방향으로 권취한 Z-스택 & 폴딩형 전극조립체; 다수의 단위셀을 적층한 구조의 스택형 전극조립체 등의 전극조립체 중 어느 하나 일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지는 상기 전극조립체를 전지 외장재에 수납한 후에 열 융착 지그에 의하여 전지 외장재의 주변 모서리의 실링부 및 상기 관통구가 위치한 부분의 전지 외장재를 열 융착하거나, 열 융착 후에 펀칭 등의 방법으로 관통구를 형성함으로써 상기 관통부를 형성할 수 있다.
이와 같은 관통부의 형성은 관통구의 모양 및 위치와 동일한 부분에 열 압착이 가능하도록 구성된 열 융착 지그를 이용하여 제조가 가능하나 이에 한정되는 것은 아니다.
이때 관통구의 크기는 전극조립체 상에 형성된 관통구의 사이즈 보다는 작게 형성될 수 있다. 이는 관통구 내부에 전지 외장재가 실링 될 수 있는 실링 마진이 필요하기 때문이다. 한편, 상기 이차전지 상의 관통구 내주면을 따라 형성된 전지 외장재의 실링부는, 이후, 전지모듈에 배치되어 고정봉이나, 냉각라인의 설치가 용이하도록 어느 한쪽 방향으로 실링 마진을 접는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지는 양극리드와 음극리드가 동일한 방향으로 돌출된 이차전지일 수 있으며, 또는 양극리드와 음극리드가 서로 상반되는 방향으로 돌출된 이차전지 일 수도 있다.
또한, 전지 외장재는 전극조립체를 수납할 수 있도록 공간이 형성된 전극조립체 수납 공간이 상부 또는 하부의 어느 한쪽에만 형성된 것일 수도 있고, 상부와 하부 모두에 전극조립체의 수납 공간이 형성된 것일 수도 있다.
한편, 상기 파우치 외장재는 공지의 외장재를 이용할 수 있으며, 예를 들면 상기 외장재는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트 형태의 파우치형 외장재가 바람직하다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 외장재가 바람직하다. 상기 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 배리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성되어 있으며 상기 외부 피복층은 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. 상기 배리어층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 유출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 상기 내부 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(cPP)이 사용될 수 있다.
나아가 상기 외부 피복층과 내부 실란트층은 2 중층 이상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 외부 피복층은 PET/ONy 층, 내부 실란트층은 PPa(산 변성(Acid modified) PP/cPP 와 같은 이중 구조로 구성될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전극 리드는 양극의 경우, 예를 들어, 알루미늄, 스텐레스, 동, 니켈, 티탄, 탄탈 및 니오브로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
전극 리드가 음극의 경우, 예를 들어, 구리, 니켈, 스테인레스스틸, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 그 접합 방법도 레이저나, 초음파 용접과 같은 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수 있는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지를 다수 포함하는 전지모듈 또는 전지팩은 이차전지에 형성된 관통구를 통하여 고정봉을 설치함으로써 다수의 이차전지가 외부 흔들림 또는 충격 등에 의하여 이탈되거나 유동하는 것을 방지할 수 있으며, 또는 상기 관통구를 통해 냉각라인을 설치함으로써 전지의 사용에 따른 과열을 방지하고 나아가 비상시 발열, 발화 등을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이때 상기 중대형 디바이스로는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3의 파우치형 전지는 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들은 일반적으로 사용되는 종래의 파우치형 전지와 대략 동일하므로 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들에 대한 설명은 생략할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 파우치형 이차전지는 다수의 관통구(40)가 형성된 전극조립체(10) 및 전지 외장재(50)를 포함한다.
상기 관통구(40)는 도 3에서와 같이 전극조립체의 긴 길이 방향을 기준으로 양 끝 단의 대칭되는 위치에 2개를 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 당업자에 의하여 자유롭게 설계될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 포함되는 전지 외장재(50)는 종래 이용되는 공지의 파우치형 전지 외장재를 이용할 수도 있으며, 또는 상기 전극조립체에 형성된 관통구(40)와 대응되는 위치에 이보다 작은 크기의 관통구가 형성된 전지 외장재를 이용할 수도 있다. 이 경우, 상기 전지 외장재에 형성된 관통구의 크기가 전극조립체에 형성된 관통구의 크기보다 작은 이유는 관통구 내주면을 따라 전지 외장재를 실링하기 위한 실링 마진이 필요하기 때문이다.
도 6은 본 발명에 따른 이차전지의 사시도이다.
본 발명에 따른 이차전지는 도 6과 같이 이차전지를 관통하는 관통구(40)를 포함하며, 상기 관통구의 내부에는 내주면을 따라 전지 외장재가 실링된 실링부가 형성된다.
본 발명에 따른 이차전지는 상기 관통구를 통한 추가 실링에 의하여 전극조립체와 전지 외장재를 완전히 고정하여 일체화한다.
상기 관통구의 형성에 의한 추가 실링 단계는 특별히 그 순서를 한정하지 아니하며, 전지 외장재의 모서리 실링부를 실링할 때에 동시에 관통구의 내주면을 실링할 수도 있고, 이차전지의 활성화 단계를 수행한 후 최종적으로 추가 실링하여 형성할 수도 있다. 다만, 전지 외장재에 관통구가 미리 형성되어 있는 경우라면, 전지 외장재의 모서리 실링부를 형성할 때 상기 관통구 내주면 또한 함께 실링하는 것이 바람직하다. 이는 전해액 주입 공정을 용이하게 하기 위해서이다.
상기 관통구 형성은 관통구의 위치 및 형상에 따라 해당 부위에 실링을 위한 가압이 가능하도록 설계된 지그를 이용하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 양극리드(20)와 음극리드(30)가 동일한 방향으로 돌출되고 전극조립체의 수납부가 하부 전지 외장재 쪽에만 형성된 이차전지에 대한 사시도이나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7는 본 발명에 따른 이차전지(50)를 다수 포함하는 전지모듈(110)에 대한 것이며, 도 8은 이와 같은 전지모듈에 있어서, 상기 다수의 이차전지들에 형성된 관통구(40)를 통하여 고정봉 또는 냉각라인(120)을 설치한 실시예에 대한 사시도이다.
본 발명에 따른 전지모듈은 다수의 이차전지를 관통구를 통하여 고정함으로써 외부의 압력에 의한 전지의 이탈 또는 유동을 방지하고, 또는 냉각라인을 통하여 단위 전지를 적정한 온도 수준으로 유지함으로써 전지모듈의 안전성을 크게 향상시킬 수 있고, 성능 및 수명을 개선할 수 있는 효과를 제공한다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 내용을 더욱 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명의 효과를 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 2
도 6과 같이, 이차전지의 평면적 대비 3%가 되는 크기의 원형 관통구를, 이차전지의 양 끝단으로부터 이차전지의 길이 대비 1/6 되는 간격만큼 이격된 위치에 2개의 관통구를 형성한 이차전지를 제조하였다.
이는 상기 관통구가 전극조립체 및 전지 외장재에 미리 형성된 것을 이용하였으며, 열 융착 지그를 이용하여 전지 외장재의 모서리 실링부 및 상기 관통구 내주면의 전지 외장재 실링부 마진을 열 융착하여 관통구를 형성하였다.
비교예 2
상기 관통구를 형성하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 같은 방법으로 이차전지를 제조하였다.
실험예 2
상기 실시예 2와 비교예 2에서 각각 제조된 전지들을 대상으로 전방 낙하 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
본 실험에서는 각각 20개의 전지들에 대해 반복적으로 수행하였고, 전방 낙하 실험은 전극단자 부위가 아래로 향하도록 180cm 높이에서 철판 상에 자유 낙하시키는 과정을 100회 진행하는 과정으로 수행하였다.
표 2
낙하시 단락된 전지의 수
실시예 2 0
비교예 2 15
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 전지들은 낙하 실험에서 20 개 전지 모두에서 단락이 유발되지 않았다. 즉, 전극조립체와 전지 외장재에 추가적인 관통 실링부를 형성함으로써 낙하시에도 전극조립체가 유동하지 아니하여 이차전지의 내부 단락을 방지할 수 있었다.
반면에, 비교예 2에 따른 대부분의 전지에서는 대략 85회의 낙하에서 전지 외장재 내부의 전극조립체가 이탈 또는 유동하여 전지의 변형 및 내부 단락이 확인되었다.
또한, 비교예 2의 전지에서는, 전해액의 주입과정에서 주입된 전해액의 양이 목표하는 주액량에 크게 미달되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 전해액의 주입 후 동일한 시간 조건(5 분)에서 전극조립체에 의한 전해액의 함침량을 비교하여 본 결과, 비교예 2의 전지는 실시예 2의 전지에 비해 약 60%의 함침률을 나타내었다.
따라서, 비교예 2의 전지가 동일한 전해액 함침량을 나타내기 위해서는 훨씬 장시간이 소요됨을 알 수 있으며, 이는 전지의 제조공정 시간을 장기간 연장시켜야 함을 의미한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[부호의 설명]
10 전극조립체
20 양극리드
30 음극리드
40 관통구, 관통 실링부
50 전지 외장재
120 냉각라인
110 전지모듈

Claims (35)

  1. 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체에 있어서,
    하나 이상의 관통구를 포함하는 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 2개인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 사각형 및 삼각형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 동일한 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 같은 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 전극조립체의 장변 방향으로 중심부를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 전극조립체의 단변 방향으로 중심부를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구가 차지하는 전체 면적은 전극조립체의 평면적 대비 2% ~ 20%인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 젤리-롤형, 스택형, 스택/폴딩형 및 Z-스택/폴딩형의 구조 중 선택된 어느 하나의 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 전극조립체, 파우치 외장재 및 관통 실링부를 포함하는 파우치형 이차전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 파우치 외장재는 내부 수지층, 금속 박막 및 외부 수지층의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 관통 실링부는 전극조립체 상에 형성된 하나 이상의 관통구를 덮는 파우치 외장재의 해당 부분을 실링하여 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  14. 제11항에 따른 파우치형 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈 또는 전지팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전지모듈 또는 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 이용되며,
    상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지모듈 또는 전지팩.
  16. 양극, 음극 및 분리막 상의 동일한 위치에 하나 이상의 관통구를 포함하는 전극조립체; 및
    내부 수지층, 금속 박막 및 외부 수지층의 구조로 이루어진 파우치 외장재;를 포함하며,
    전극조립체 상에 형성된 상기 관통구과 대응되는 위치의 파우치 외장재를 추가 실링하는 것을 특징으로 하는,
    관통 실링부를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 관통 실링부는 해당 부위를 가압할 수 있도록 관통구의 위치 및 형상과 대응되는 가압부를 갖는 열융착 장치를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  18. 하나 이상의 관통구를 포함하는 파우치형 이차전지.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체; 및 이를 포함하는 파우치 외장재; 중 적어도 하나 이상에 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 전극조립체의 관통구와 파우치 외장재의 관통구가 서로 대응될 수 있도록 동일한 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 전극조립체의 관통구와 파우치 외장재의 관통구는 동일한 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 전극조립체의 관통구의 크기는 대응되는 파우치 외장재의 관통구의 크기보다 더 큰 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 전극조립체의 관통구는 그 내주면을 따라 형성되는 추가 실링부의 너비만큼 파우치 외장재의 관통구보다 더 큰 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 같은 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 파우치형 이차전지의 장변 방향으로 중심부를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 파우치형 이차전지의 단변 방향으로 중심부를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 전극조립체의 관통구 내주면을 따라 추가 실링부가 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  28. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 원형, 타원형, 꼭지점이 곡률을 갖도록 처리된 곡률각형, 사각형 및 삼각형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구는 원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  30. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통구가 차지하는 전체 면적은 파우치형 이차전지의 평면적 대비 2% ~ 20%인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  31. 제19항에 있어서,
    상기 전극조립체는 젤리-롤형, 스택형, 스택/폴딩형 및 Z-스택/폴딩형의 구조 중 선택된 어느 하나의 구조인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  32. 제18항 내지 제31항 중 어느 한 항에 따른 파우치형 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 전지모듈은 단위전지에 형성된 하나 이상의 관통구를 통하여 냉각라인이 연결된 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 전지모듈은 단위전지에 형성된 하나 이상의 관통구를 통하여 단위전지 고정봉이 연결된 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  35. 제32항에 있어서,
    상기 전지모듈은 중대형 디바이스의 전원으로 이용되며,
    상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 이-바이크(E-bike), 이-스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
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