KR101546545B1 - 파우치형 리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극조립체, 상기 전극조립체를 수납하는 파우치 외장재, 상기 전극조립체에 연결된 전극탭, 및 상기 전극탭과 연결된 전극리드를 포함하는 파우치형 리튬이차전지에 있어서, 상기 전극조립체의 집전판은 전극활물질이 도포된 부분인 전극부와 전극활물질이 도포되지 않은 말단 부분인 무지부로 구성되고, 상기 전극탭은 상기 무지부와 융착 연결되며, 상기 무지부는 상기 전극부와 상기 전극탭의 이격거리 사이에 1 이상의 빈 공간부가 존재하도록 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 스웰링 현상 발생시 무지부와 전극탭의 연결부분이 보다 작은 힘에 의해서도 용이하게 완전 분리되어 전류의 흐름이 조기에 차단되는바 과충전 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

파우치형 리튬이차전지{POUCH TYPE LITHIUM SECONDARY BATTERY}

본 발명은 과충전 안전성이 향상된 파우치형 리튬이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지밀도 및 작동전압이 높고 수명특성이 우수한 리튬이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다. 또한, 리튬이차전지는 화석연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 환경오염 및 지구온난화 문제를 해결하기 위한 대체방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 큰 주목을 받고 있으며 일부 상용화 단계에 있다.

리튬이차전지는 그 형상에 따라 원통형, 각형 및 파우치형으로 분류되는데, 이 중 파우치형 리튬이차전지는 전극조립체, 상기 전극조립체로부터 연장되는 전극탭들과, 상기 전극탭들에 용접되어 있는 전극리드 및 상기 전극조립체를 수용하는 것으로서 고분자 수지와 알루미늄의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 외장재를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

이러한 파우치형 리튬이차전지는 허용된 전류나 전압을 초과한 과충전, 내부 단락 등에 의하여 전지 내부의 온도가 올라가게 되면 전해액 기화 등의 원인으로 내압이 증가하게 되며, 그 결과 파우치 외장재가 부풀어오르는 이른바 스웰링(Swelling) 현상이 발생하게 된다. 스웰링 현상이 발생할 경우, 전지부가 변형됨에 따라 국부적으로 단락이 발생할 수 있고, 극한 상황이 되면 전지가 발화 또는 폭발할 수도 있다.

즉, 파우치형 리튬이차전지에서 주요 연구과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이며, 이 중 내압 증가에 의한 스웰링 현상을 해소하기 위하여 파우치 외장재 내부에 발생한 가스의 배출(Vent)에 관한 기술들이 개시되어 있다. 하나의 예로, 한국 특허출원공개 제2009-0060497호에서는 전극탭으로 사용되는 금속 플레이트에 미세한 홀을 만들어 안전벤트를 구비함으로써, 전지가 abuse 상황에 노출되더라도 내부에서 발생된 가스의 벤팅이 예측 가능하도록 용이하게 벤팅될 수 있는 파우치형 이차전지에 대한 기술을 개시하고 있다.

그러나, 상기와 같은 가스의 벤팅은 전지의 내압 감소에는 효과적이지만, 과충전 등 내압 증가의 근본적 문제에 대한 해결책으로는 한계가 있다. 즉, 가스를 벤팅하더라도 전극조립체와 전극탭은 계속 연결된 상태에 있어 외부로부터의 과충전은 중단되지 않고 계속되는 상태가 된다. 더불어 상기 한국 특허출원공개 제2009-0060497호에서처럼 전극탭에 미세한 홀을 형성하는 과정 자체도 공정상 매우 번거롭고 어려운 작업에 해당한다.

따라서, 전지의 과충전에 의해 파우치 외장재가 부풀어오르는 경우, 전극조립체의 일부인 전극의 무지부와 외부로부터 전류를 받아들이는 전극탭을 분리시킨다면 과충전의 위험성을 크게 줄일 수 있을 것이다. 실제 전지에 있어, 스웰링 현상이 발생할 경우 전극의 무지부와 전극탭의 연결부분이 일부 파열되기도 하나 이러한 국부적 파열만으로는 과충전이 계속되는 것을 완전히 차단할 수 없어 그 위험성은 여전히 존재하게 된다.

이에, 파우치형 리튬이차전지에 있어서, 과충전 등에 의해 스웰링 현상이 발생할 경우, 전극의 무지부와 전류를 받아들이는 전극탭의 용이한 완전 분리를 유도하여 과충전에 따른 위험성을 근본적으로 해소할 수 있고 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 기술에 대한 개발이 절실한 시점이다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

본 출원의 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전극의 무지부 형상을 변형한 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지를 개발하기에 이르렀고, 이 경우 전지의 스웰링 현상 발생시 전극의 무지부와 전극탭이 보다 작은 힘에 의해서도 분리되어 과충전 안전성이 크게 향상됨을 확인하였다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수납하는 파우치 외장재, 상기 전극조립체에 연결된 전극탭을 포함하는 파우치형 리튬이차전지에 있어서, 상기 전극조립체의 집전판은 전극활물질이 도포된 부분인 전극부와 전극활물질이 도포되지 않은 말단 부분인 무지부로 구성되고, 상기 전극탭은 상기 무지부와 융착 연결되며, 상기 무지부는 상기 전극부와 전극탭의 이격거리 사이에 1 이상의 빈 공간부가 존재하도록 형성된 파우치형 리튬이차전지가 제공된다.

상기 공간부는 상기 무지부에 의하여 주변이 둘러싸인 홀(Hole) 형태이거나,외부로 개방된 형태이다.

상기 공간부는 양극탭 또는 음극탭 중 적어도 한 쪽 이상에 형성되며, 특히 상기 공간부는 음극탭 쪽에 형성된 것이고, 상기 집전판은 구리 재질의 음극 집전판일 수 있다.

상기 전극탭은 단방향 또는 쌍방향으로 돌출된다.

상기 무지부는 상기 파우치 외장재 내부에 형성된다.

상기 전극탭과 상기 무지부가 융착 연결된 부분의 면적은 일정하고, 상기 무지부와 상기 전극부가 접촉하는 길이의 합 역시 일정하다.

상기 무지부는 상기 전극탭의 좌측 또는 우측 중 일측에만 형성되고, 단면상 "ㄱ"형으로 형성된다.

상기 무지부에는 크랙(Crack)이 형성될 수 있다.

본 발명은 파우치형 리튬이차전지에 있어서, 전극의 무지부 형상을 종래의 형상과는 다르게 변형함으로써, 스웰링 현상이 발생할 경우 무지부와 전극탭의 연결부분이 보다 작은 힘에 의해서도 용이하게 완전 분리되도록 하여 더 이상의 전류 흐름을 막고 과충전 위험성을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 종래의 복잡한 안전벤트 형성방법 등과는 달리, 무지부의 노칭 방법만을 바꿈으로써 상기와 같은 변형된 무지부를 형성할 수 있는바, 제조과정이 매우 용이하고 단순하다는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 파우치형 리튬이차전지에 있어, 무지부와 전극탭의 연결 구조를 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬이차전지에 있어, 무지부와 전극탭의 연결 구조를 나타내는 개략도.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 리튬이차전지에 있어, 무지부와 전극탭의 연결 구조를 나타내는 개략도.

이하에서는, 본 발명에 의한 파우치형 리튬이차전지의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

본 발명은 전극조립체(1), 상기 전극조립체(1)를 수납하는 파우치 외장재(도시 생략), 상기 전극조립체(1)에 연결된 전극탭(20) 및 상기 전극탭과 연결된 전극리드를 포함하는 파우치형 리튬이차전지에 있어서,

상기 전극조립체(1)의 집전판(10)은 전극활물질이 도포된 부분(11; 이하, "전극부"라 약칭)과 전극활물질이 도포되지 않은 말단 부분(12; 이하, "무지부"라 약칭)으로 구성되고, 상기 전극탭(20)은 상기 무지부(12)와 융착 연결되며,

상기 무지부(12)는 상기 전극부(11)와 전극탭(20)의 이격거리 사이에 1 이상의 빈 공간부(30)가 존재하도록 형성된 것을 특징으로 하는 것이다.

통상적으로, 파우치형 리튬이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체와 상기 전극조립체를 수납하는 라미네이트 시트의 파우치 외장재로 구성된다. 여기서 상기 전극(양극 또는 음극)은 알루미늄, 구리 등의 금속 집전판에 리튬이온의 흡장/방출이 가능한 전극활물질을 도포, 건조함으로써 제조된다. 도 1에서 보듯이, 상기 집전판(10)의 말단에는 전극활물질이 도포되지 않은 부분으로서 전극탭(20)과 초음파 용접 등에 의해 융착되어 전기적으로 연결되는 부분인 무지부(12)가 존재한다. 또한 상기 무지부(12)와 연결된 상기 전극탭은 전지 내부와 외부의 전자 이동경로 역할을 수행하는 것으로서, 스폿 용접 등에 의해 전극리드와 결합되고, 최종적으로 상기 전극리드는 외부단자와 전기적으로 연결된다.

파우치형 리튬이차전지에서는 비정상적인 상황이 발생하여 전지가 과충전될 경우, 전지 내부의 고온상태에 기인한 가스 발생 등으로 내압이 상승하게 되고, 이에 따라 전지가 부풀어오르는 스웰링 현상이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 스웰링 현상 발생시의 과충전 위험성을 해소하기 위하여, 상기 전극부와 상기 전극탭의 이격거리 사이에 1 이상의 빈 공간부가 존재하도록 상기 무지부(12)의 형상을 개조, 변형한 것이다.

즉, 전지의 외장재가 부풀어오르면서 가해지는 힘에 의해 상기 무지부 자체 또는 상기 무지부와 전극탭의 연결부분이 더욱 용이하게 파열, 분리되도록 하여 더 이상의 전류 흐름을 막고 극한 상황으로 치닫는 것을 방지함으로써 안전성을 향상시킨 것이다. 결국 스웰링 현상 발생시에 종래 무지부의 일부만이 파열되는 것과는 달리 셀 바디와 전극탭 자체가 용이하게 완전 분리되도록 한 것으로, 본 발명에서의 무지부는 원통형 전지에서의 전류차단부재(CID)와 유사한 기능을 수행할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 변형된 무지부를 형성하기 위해서는 노칭(Notching)을 통해 무지부의 구체적 형상을 형성할 때, 노칭 방법만을 본 발명에 적합하도록 변경해주면 된다. 이에 따라 다양한 형태의 변형된 무지부를 용이하게 형성할 수 있다.

상기 무지부(12)는 상기 전극부(11)와 전극탭(20)의 이격거리 사이에 1 이상의 빈 공간부(30)가 존재하도록 변형된 것이면 족하고, 특정 형상에 한정되는 것은 아니다.

상기 공간부(30)는 크게 홀(Hole) 형태인 것과 외부로 개방(Open)된 형태인 것으로 구별할 수 있다. 즉, 도 2 및 도 3과 같이 상기 공간부(30)는 무지부(12)에 의하여 주변이 둘러싸인 홀 형태인 것이거나, 도 4와 같이 공간부(30) 자체가 외부로 개방된 형태인 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 무지부(12)를 전극탭(20)의 좌측 또는 우측 중 일측에만 형성하도록 한다. 대칭형이 아닌 한쪽에만 편향되게 무지부(12)를 형성함으로써, 무지부(12) 자체의 파열 내지 무지부(12)와 전극탭(20)의 연결부분의 분리를 더욱 용이하게 유도할 수 있다. 구체적으로, 상기 무지부(12)는 단면상 "ㄱ"형 등으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에 따라 다양한 형태의 변형된 무지부(12)를 형성하는 경우, 상기 전극탭(20)과 무지부(12)가 융착 연결되는 부분의 면적은 일정하게 유지함이 바람직하다. 전극탭(20)과 무지부(12)의 접촉면적이 과도하게 작을 경우 저항이 증가하여 전지의 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 변형된 무지부(12)는 상기 전극부(11)와의 접촉부분이 2 이상이 되도록 분할 접촉형식으로 형성될 수도 있다.

다만, 이때 상기 무지부(12)와 전극부(11)가 접촉하는 길이의 합은 일정하게 유지해 주는 것이 바람직하다. 종래와 대비해 무지부(12)와 전극부(11)의 접촉면적이 과도하게 작아질 경우, 당해 부분의 저항이 증가하여 전지의 충방전 성능 등에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

즉, 본 발명에서의 무지부(12)와 전극부(11)간 접촉 길이(도 4에서의 "a") 또는 그 합(도 2 및 도 3에서의 "1/2a" + "1/2a")을 종래 일반적 형태에서의 무지부(12)와 전극부(11)간 접촉 길이(도 1에서의 "a")와 같도록 하여 무지부(12) 변형에 따른 저항 증가를 방지할 수 있다.

본 발명에서의 변형된 무지부(12)는 전극탭의 단방향/쌍방향 돌출 여부에 상관없이 적용 가능하다. 또한, 상기 공간부(30)는 필요에 따라 양극탭 또는 음극탭 중 적어도 한 쪽 이상에 자유롭게 형성할 수 있다.

바람직하게는, 상기 공간부(30)를 양극탭 쪽보다는 음극탭 쪽에 형성하도록 한다. 보통 양극 집전판으로는 알루미늄 재질을, 음극 집전판으로는 구리 재질을 사용하는데, 스웰링 현상 발생시 알루미늄 호일보다는 구리 호일이 더 쉽게 파열되는 경향이 있어 양극 무지부보다는 음극 무지부의 파열 가능성이 더 높기 때문이다.

더욱 바람직하게는, 양극탭과 음극탭 양 쪽에 모두 상기 공간부(30), 즉 변형된 무지부(12)를 형성하도록 한다.

또한, 스웰링 현상 발생시 본 발명에 따른 변형된 무지부(12)가 더욱 용이하게 파열되도록 상기 무지부(12) 상에 소정의 크랙(Crack)을 형성할 수도 있다. 크랙을 형성하는 방법은 특별히 제한되지는 않는다. 상기 크랙은 무지부(12)의 형상을 유지할 수 있는 범위 내에서, 가능한 한 다수 형성하는 것이 전술한 무지부(12)의 용이한 파열 측면에서 더욱 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 변형된 무지부(12)는 상기 전극부(11)와 전극탭(20)을 연결하는 것으로서, 통상적으로 파우치 외장재 내에 존재하게 되므로 전지 외부의 Dimension에는 영향을 미치지 않는 장점이 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명한다.

실시예

실시예 1

양극 집전판(Al) 및 음극 집전판(Cu)의 중앙 부분에 각각 양극활물질과 음극활물질을 도포 및 건조하여 전극부를 형성하고, 각 집전판의 말단에는 활물질이 도포되지 않은 무지부를 형성하였다.

다음으로, 상기 음극 집전판의 무지부를 노칭하여 도 2와 같은 모양의 변형된 무지부를 형성하였다.

다음으로, 상기에서 제조된 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 제조하였다. 이때 상기 양극과 음극의 무지부는 서로 다른 방향을 향하도록 적층하였다.

다음으로, 상기 양극의 무지부에 양극탭(Al)을 초음파 용접하고, 다시 상기 양극탭에 양극리드(Al)를 스폿 용접(Spot Welding)하였다. 또한, 상기 변형된 음극의 무지부에 음극탭(Cu)을 초음파 용접하고, 다시 상기 음극탭에 음극리드(Cu)를 스폿 용접하였다.

다음으로, 내부 수지층(폴리에틸렌 필름), 금속층(Al) 및 외부 수지층(나일론 필름)을 적층하여 라미네이트 시트의 파우치 외장재를 제조한 후, 딥 드로잉을 통해 수납부를 형성한 다음, 드라이 룸에서 상기 전극조립체를 제조된 파우치 외장재에 양극리드 및 음극리드가 쌍방향으로 돌출되도록 수납하였다.

마지막으로, 1M LiPF₆ 카보네이트계 전해액을 주입한 후, 상기 외장재의 외주면을 열융착함으로써 파우치형 리튬이차전지를 제조하였다.

실시예 2

음극 집전판의 무지부를 노칭하여 도 3과 같은 모양의 변형된 무지부를 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같다.(이때 무지부와 전극부가 접촉하는 길이의 합은 실시예 1의 길이 합과 같았다.)

실시예 3

음극 집전판의 무지부를 노칭하여 도 4와 같은 모양의 변형된 무지부를 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같다.(이때 무지부와 전극부가 접촉하는 길이는 실시예 1의 길이 합과 같았다.)

비교예

음극 집전판의 무지부를 노칭하여 도 1과 같은 모양의 통상적인 무지부를 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같다.(이때 무지부와 전극부가 접촉하는 길이는 실시예 1의 길이 합과 같았다.)

실험예

상기 실시예와 비교예에 따라 제조된 파우치형 리튬이차전지의 과충전 안전성을 다음과 같이 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

- 과충전 테스트(Overcharge Test) : 55℃의 챔버에서 SOC 0%의 전지를 1℃-rate로 SOC 200%까지 충전하여, 음극 집전판의 무지부와 음극탭의 분리 여부 등을 관찰하였다.

	전지 내부 최고 온도	무지부와 음극탭의 분리 여부	폭발 여부
실시예 1	72℃	O	X
실시예 2	70℃	O	X
실시예 3	67℃	O	X
비교예	350℃	X	O

상기 표 1에서 보듯이, 실시예의 경우 SOC 200% 충전 이전에 이미 음극 집전판의 무지부와 음극탭이 완전 분리됨에 따라 전류 흐름이 차단되고 과충전 상태는 조기 종료되었다. 반면, 비교예의 경우 SOC 200% 충전에 이를 때까지 무지부와 음극탭이 분리되지 않고 과충전이 지속됨에 따라 전지 내부의 온도 및 압력이 계속 상승하였고 결국 전지가 폭발하게 되었다.

즉, 본 발명에서는 전극의 무지부 형상을 변형함으로써, 스웰링 현상이 발생할 경우 무지부와 전극탭의 연결부분이 보다 작은 힘에 의해서도 용이하게 완전 분리되도록 하여 더 이상의 전류 흐름을 막고 과충전 안전성을 확보할 수 있음을 확인하였다.

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.

10 ; 전극집전체
11 ; 집전판
12 ; 무지부
20 ; 전극탭
30 ; 공간부

Claims (12)

1. 전극조립체, 상기 전극조립체를 수납하는 파우치 외장재, 상기 전극조립체에 연결된 전극탭을 포함하는 파우치형 리튬이차전지에 있어서,
   상기 전극조립체의 집전판은 전극활물질이 도포된 부분인 전극부와 전극활물질이 도포되지 않은 말단 부분인 무지부로 구성되고, 상기 전극탭은 상기 무지부와 융착 연결되며,
   상기 무지부는 상기 전극부와 전극탭의 이격거리 사이에 1 이상의 빈 공간부가 존재하도록 형성되고,
   상기 공간부는 외부로 개방된 형태이고, 상기 공간부를 포함하는 무지부는 상기 전극탭의 좌측 또는 우측 중 일측에만 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 공간부는 양극탭 또는 음극탭 중 적어도 한 쪽 이상에 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 공간부는 음극탭 쪽에 형성된 것이고, 상기 집전판은 구리 재질의 음극 집전판인 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 전극탭은 단방향 또는 쌍방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 무지부는 상기 파우치 외장재 내부에 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 전극탭과 상기 무지부가 융착 연결된 부분의 면적은 일정한 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 무지부와 상기 전극부가 접촉하는 길이의 합은 일정한 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지.
   
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 무지부는 단면상 "ㄱ"형으로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 무지부에는 크랙(Crack)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬이차전지.

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