KR20100118394A - 미실링 잉여부를 구비하는 파우치형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미실링 잉여부를 구비하고 있는 파우치형 이차전지에 관한 것이다. 본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 전지케이스의 실링부와 전극조립체 사이에는 발생 가스를 포집할 수 있도록 미실링 상태의 잉여부(미실링 잉여부)가 포함되어 있고, 이러한 실링부는, (a) 상기 전극조립체에 일치하는 크기의 수납부가 일측 또는 양측에 형성되는 상부 및 하부 라미네이트 시트에 전극조립체를 장착하는 단계; (b) 상기 상부 및 하부 라미네이트 시트의 4 변 중 전극 단자의 위치를 포함한 3 변을 실링하는 단계; (c) 상기 미실링부를 통해 전해액을 주입하는 단계; (d) 전지를 초기 활성화하고, 발생 가스를 배출하는 단계; (e) 상기 미실링부를 실링하여, 해당 변의 폭을 기준으로 10 내지 40%의 폭으로 미실링 잉여부를 형성하는 단계; 및 (f) 상기 수납부와 접하는 상기 미실링 잉여부 일면을 실링하는 단계를 포함하는 과정으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 낙하, 외부로부터의 충격 인가시에도 전극조립체의 이동을 억제하여 내부단락을 방지하고, 과충전이나 고온과 같은 외부 상황으로 인한 전지내에서 고압 발생시 1차적으로 미실링 잉여부가 개방·팽창하면서 이차전지의 내압상승을 억제함과 동시에, 미실링 잉여부에 전해액이 누설되어 야기되는 전지 성능의 열화가 없는 효과가 있다.

미실링 잉여부, 가스포켓부, 전해액, 전극조립체, 이차전지

Description

미실링 잉여부를 구비하는 파우치형 이차전지{POUCH-TYPE SECONDARY BATTERY COMPRISING A PORTION OF NON-SEALING RESIDUE}

본 발명은 미실링 잉여부를 구비하고 있는 파우치형 이차전지에 관한 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 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.

최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60,70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.

전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(30)의 경우, 다수의 양극 탭들(40)과 다수의 음극 탭들(50)이 전극리드(60, 70)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(20) 내부 상단은 전극조립체(30)로부터 이격되어 있다.

이러한 파우치형 전지는 과충전되거나, 고온에의 노출, 내부 단락 등이 유발되었을 때, 전해액의 분해로 인한 다량의 가스가 발생하면서 케이스가 부풀어오르는 이른바 스웰링 현상이 나타나는데, 이러한 스웰링 현상은 밀봉된 케이스 내부에 고압을 유발하면서, 전해액 분해를 더욱 촉진하여 폭발을 초래할 수 있다. 또한, 발생한 가스로 인해 전지케이스의 중앙 부위가 부풀어 오르면서 전지의 변형을 유발하고, 그로 인해 단락이 발생하는 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전극조립체와 전지케이스의 실링부 사이에 소정의 미실링부를 형성하는 방법에 대한 일부 기술들이 소개되고 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2005-332726호와 제2005-222872호에는, 적층형 전극조립체가 라미네이트 시트의 수납부에 내장되는 이차전지에서, 전극조립체가 장착되는 라미네이트 시트의 수납부와 라미네이트 시트의 실링부 사이에 미실링부를 두고 과충전이나 고온 발생과 같은 비정상적인 작동 조건이 발생시 일측 방향으로 융착된 실링부가 벌어지면서 가스를 배출시키는 구조에 대한 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상기 일본 특허출원공개 제2005-332726호의 기술은 전극조립체가 장착되는 라미네이트 시트의 수납부에 그것의 외주면을 따라 수납부 내측에 소정 폭의 이격 공간을 두는 구성으로 이루어져 있어서, 전극조립체의 크기와 비교하여 수납부의 크기가 크므로, 실제 제조공정에서 그러한 이격 공간이 만들어지도록 수납부상에 전극조립체를 정위치시키기가 어려우며, 고압 발생시 실링되어 있는 가스 배출부위가 신뢰성있게 벌어지도록 구성하기가 어렵다.

또한, 상기 일본 특허출원공개 제2005-222872호는, 가스 배출부가 신뢰성 있게 벌어지도록 하기 위해 가스 유로부를 라미네이트 전지케이스 내부에 장착하고, 가스유로 가이드 부재를 라미네이트 시트보다 강성이 높은 부재를 사용하는 기술로서, 제조공정이 복잡하고 제조원가가 높다는 단점으로 인해, 실제 제조공정에 적용하기에는 한계가 있다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결하고자, 본 출원인은 한국 특허등록 제 10-0876455호를 제안하였다. 상기 특허발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 전지케이스의 실링부와 전극조립체 사이에는 발생한 가스를 포집할 수 있도록 미실링 상태의 잉여부 (미실링 잉여부)가 포함되어 있고, 상기 미실링 잉여부는 상기 전극조립체에 대략 일치하는 크기의 수납부가 일측 또는 양측에 형성되는 상부 및 하부 라미네이트 시트에 전극조립체를 장착하는 단계, 상기 상부 및 하부 라미네이트 시트의 4 변 중 전극 단자의 위치를 포함한 3 변을 실링하는 단계, 상기 미실링부를 통해 전해액을 주입하는 단계, 및 상기 미실링부를 수납부로부터 소정의 이격 폭으로 실링하는 단계 등을 거쳐 제조하는 이차전지에 관한 것이다.

상기한 한국 등록특허 제 10-0876455호 발명의 요지는 모든 파우치형 폴리머 셀에서 최종적으로 완전히 제거하던 가스포켓부(portion of gas-pocket)의 일부를 그대로 미실링 잉여부로서 남겨서, 과충·방전시 셀이 부풀어 오를 경우에도 단락이 예방되고, 이에 따라 폭발하는 것을 방지하는 것이다.

그러나, 제 10-0876455호의 경우 안전성 측면에서는 우수한 특성을 보이나, 셀 효율성 측면에서는 다소 취약할 수 있다. 즉, 미실링 잉여부에 전해액이 침투하여, 실제로 전극 사이에 있어야할 전해액이 필요없는 부분에 위치하게 되며, 또한, 전해액이 미실링 잉여부에 위치하게 되므로 리튬이온의 이동거리가 상대적으로 길어지고 셀의 저항이 높아지게 된다. 즉, 셀이 과충·방전의 악조건에 처하게되면 안전성이 향상되는 측면이 있으나, 평소 정상 작동시에는 미실링 잉여부가 없는 셀에 비해서 성능이 저하되는 문제점이 있다.

이에, 본 출원인은 한국 등록특허 제 10-0876455호의 문제점을 개선한 미실링 잉여부를 포함하고 있는 파우치형 이차전지를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 전지케이스의 실링부와 전극조립체 사이에는 발생 가스를 포집할 수 있도록 미실링 상태의 잉여부(미실링 잉여부)가 포함되어 있고, 이러한 실링부는,

(a) 상기 전극조립체에 일치하는 크기의 수납부가 일측 또는 양측에 형성되는 상부 및 하부 라미네이트 시트에 전극조립체를 장착하는 단계;

(b) 상기 상부 및 하부 라미네이트 시트의 4 변 중 전극 단자의 위치를 포함한 3 변을 실링하는 단계;

(c) 상기 미실링부를 통해 전해액을 주입하는 단계;

(d) 전지를 초기 활성화하고, 발생 가스를 배출하는 단계;

(e) 상기 미실링부를 실링하여, 해당 변의 폭을 기준으로 10 내지 40%의 폭으로 미실링 잉여부를 형성하는 단계; 및

(f) 상기 수납부와 접하는 상기 미실링 잉여부 일면을 실링하는 단계

를 포함하는 과정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 수납부와 접하는 상기 미실링 잉여부 일면은, 미실링 잉여부의 실링된 측면실링부 폭의 20 ~ 40%으로 실링된 것임을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 수납부와 접하는 미실링 잉여부의 일면은, 미실링 잉여부의 실링된 측면실링부 50 ~ 70%의 압력으로 실링된 것임을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 수납부와 접하는 미실링 잉여부의 일면은, 40 ~ 80 N 범위 이내의 파단강도를 갖게끔 실링된 것임을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 미실링 잉여부를 포함하는 변의 폭은 실링부를 포함하는 다른 변의 폭보다 10 내지 50% 이상 큰 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 단계(c) 이후 및 단계(d) 이전에, 전해액을 주입한 미실링 부위의 외주면 단부부위(단부 실링부)만을 실링하여, 전지케이스 내부에 해당 변의 폭을 기준으로 30 내지 60%의 폭으로 가스포켓부를 형성하고, 상기 단부 실링부를 절취하여 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하고 여부의 전해액을 제거하거나 부족한 전해액을 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 미실링 잉여부를 포함하는 변의 폭은 실링부를 포함하는 다른 변의 폭보다 15 내지 25% 크고, 상기 미실링 잉여부는 해당 변의 폭을 기준으로 20 내지 30%의 폭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 전지 내에서 고압의 발생시 1차적으로 미실링 잉여부가 개방·팽창하면서 내압 상승을 억제하고, 임계값 이상의 고압 발생시 2차적으로 미실링 잉여부 인접 실링부가 벌어지면서 고압 가스를 배출하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

본 발명에 따른 이차전지는 전지의 낙하, 외부로부터의 충격 인가시에도 전극조립체의 이동을 억제하여 내부단락을 방지하고, 과충전이나 고온과 같은 외부 상황으로 인한 전지내에서 고압 발생시 1차적으로 미실링 잉여부가 개방·팽창하면서 이차전지의 내압상승을 억제함과 동시에, 미실링 잉여부에 전해액이 누설되어 야기되는 전지 성능의 열화가 없는 효과가 있다.

본 발명은 한국 등록특허 제 10-0876455호의 문제점을 개선한 개량발명으로서, 상기 등록특허 문헌에 공개·공고된 내용은 모두 본 출원 명세서의 참조 내용으로서 인용한다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은,

양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 전지케이스의 실링부와 전극조립체 사이에는 발생 가스를 포집할 수 있도록 미실링 상태의 잉여부(미실링 잉여부)가 포함되어 있고, 이러한 실링부는,

(a) 상기 전극조립체에 일치하는 크기의 수납부가 일측 또는 양측에 형성되는 상부 및 하부 라미네이트 시트에 전극조립체를 장착하는 단계;

(b) 상기 상부 및 하부 라미네이트 시트의 4 변 중 전극 단자의 위치를 포함한 3 변을 실링하는 단계;

(c) 상기 미실링부를 통해 전해액을 주입하는 단계;

(d) 상기 미실링부를 실링하여, 해당 변의 폭을 기준으로 10 내지 40%의 폭으로 미실링 잉여부를 형성하는 단계; 및

(e) 상기 수납부와 접하는 상기 미실링 잉여부 일면을 실링하는 단계

를 포함하는 과정으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 파우치형 전지는, 전지케이스의 실링부와 전극조립체 사이에 가스를 포집할 수 있도록 미실링 상태의 잉여부를 포함하고 있어서, 과충전, 고온 등과 같은 비정상적인 작동 조건으로 인해 전지 내 고압 발생시, 1차적으로 미실링 잉여부가 팽창하면서 발생 가스를 미실링 잉여부의 가용 체적만큼 내압 상승을 억제하는 것이 가능하다.

또한, 발생 가스의 포집을 위한 미실링 잉여부가 실질적으로 전극조립체 수납부 상에 위치하지 않으므로, 수납부를 필요 이상으로 크게 제작할 필요가 없어서, 수납부에 대한 전극조립체의 장착 과정이 용이하다.

게다가, 미실링 잉여부는 정상적인 전지의 작동시에는 전해액이 미실링 잉여부에 침투하지 못하도하게끔 적당한 파단강도로 실링되어 있어, 한국 등록특허 제 10-0876455호와 달리 전해액 유출에 따른 전지의 열화현상이 없는 장점이 있다.

상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 권취형 구조, 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

본 발명에 따른 이차전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 하나의 구체적인 예에서 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스의 수납부에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

일반적으로 파우치형 이차전지는, 예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스의 수납부에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 파우치형 이차전지는 라미네이트 시트에 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 상기 시트와 분리되어 있는 별도의 시트 또는 그로부터 연장되어 있는 시트를 열융착하여 밀봉하는 것으로 제조된다.

따라서, 상기 단계(a)에서, 라미네이트 시트는 전극조립체 수납부가 상부 및 하부 라미네이트 시트의 일측 또는 양측에 형성되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 상호 분리된 별도의 상부 및 하부 라미네이트 시트를 사용하거나 또는 상부 및 하부 라미네이트 시트의 일측이 연결되어 있는 하나의 시트를 사용하는 것이 가능하다.

이러한 파우치 케이스는 수십 내지 수백 ㎛ 두께의 라미네이트 시트를 다이와 펀치를 사용하여 드로잉 공정으로 부분 압축함으로써 수납부를 형성한다.

바람직하게는, 상기 라미네이트 시트는 상부 및 하부 라미네이트 시트의 일측 단부가 상호 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.

두 단위의 분리형 전지케이스는 4 면에서 결합되어 실링부를 형성하므로, 상기 4 면 실링부 모두에서 대기와 접하게 되어, 장기간의 사용시 공기(특히, 습기)의 유입 가능성이 매우 높아지게 되고, 그로 인해 전지의 수명을 단축시키는 단점을 가지고 있다. 반면에, 일측 단부가 상호 연결된 전지케이스는 3 면에만 실링부를 형성하므로, 상기와 같은 문제점이 발생할 소지가 적다.

또한, 본 발명의 이차전지에서 라미네이트 시트의 수납부는, 상기 단계(a)에 정의되어 있는 바와 같이, 전극조립체에 대략 일치하는 형상으로 이루어져 있다. 앞서의 설명과 같이, 드로잉 공정에 의해 수납부를 형성할 때에는, 드로잉 공정시 시트의 파열을 방지하기 위하여, 수납부의 내측면은 소정의 하향 경사면(테이퍼 면)을 형성하도록 만들어진다. 본 발명에 따르면, 그러한 수납부의 하단면이 전극조립체에 대략 일치하는 크기를 가지고 있으므로, 전극조립체보다 다소 큰 크기의 개방 상단면을 통해 전극조립체를 삽입하고, 삽입시의 위치 오차에도 불구하고, 전 극조립체의 측면이 수납부의 하향 경사면을 따라 안정적으로 하단면에 도달하므로, 장착과정이 매우 용이하다.

상기 단계(b)에서, 라미네이트 시트의 4 변 중 전극 단자가 위치하는 부위를 포함하여 3 변을 실링하는 바, 앞서 설명한 바와 같이, 일측 단부가 연결된 전지케이스에서는 2 변만을 실링할 수 있음은 물론이다.

전극 단자는 그것의 재질과 두께로 인해 실링부의 밀봉성을 상대적으로 떨어뜨리는 경향이 있으므로, 상기와 같은 실링 과정에서 함께 실링하는 것이 필요하다.

그러한 부분적인 실링에 의해 남겨진 미실링부를 통해 단계(c)에서 전해액을 주입하고, 단계(d)에서 활성화 공정을 수행한다. 미실링부는 상기와 같은 전해액 주입 공정 및 활성화 공정을 거친 후에 단계(e)에서 재차 밀봉되므로, 일반적으로 다른 실링부보다 크게 제작한다. 이 경우, 미실링부를 포함하는 변의 폭(A)은 실링부만 포함하는 다른 변의 폭(L)보다 크게 형성되어 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 10% 내지 50%, 더욱 바람직하게는 15 내지 25% 정도 크게 전지케이스 상에 형성할 수 있으며, 이는 식 A = L+ (0.1 ~ 0.5)L 로 표현될 수 있다.

리튬 이차전지는 양극 활물질로 LiCoO₂ 등의 금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료를 사용하며, 음극과 양극 사이에 폴리올레핀계 다공성 분리막을 개재하고, LiPF₆ 등의 리튬염을 포함하는 비수성 전해액을 넣어서 제조하게 된다. 충전 시 에는 양극 활물질의 리튬 이온이 방출되어 음극의 탄소층으로 삽입되고, 방전시에는 반대로 음극 탄소층의 리튬 이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입되며, 이때 비수성 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬 이온을 이동시키는 매질 역할을 한다. 이러한 리튬 이차전지는 기본적으로 전지의 작동 전압 범위에서 안정해야 하고, 충분히 빠른 속도로 이온을 전달할 수 있는 성능을 가져야 한다.

그러나, 계속적인 충방전 과정에서 음극 활물질의 표면에서 전해액이 분해되면서 가스가 발생하며, 초기 충방전 과정에서 음극 활물질 표면에 SEI 막이 형성되어 추가적인 가스 발생을 억제한다. 상기 단계(d)의 활성화 과정은 이러한 SEI 막의 형성을 위해 필요하며, 최종적인 전지의 제조 이전에 반드시 요구된다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 단계(c) 이후 및 단계(d) 이전에, 전해액을 주입한 미실링 부위의 외주면 단부 부위(단부 실링부)만을 실링하여, 전지케이스 내부에 소정 크기의 가스 포켓부를 형성하고, 상기 단부 실링부를 절취하여 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하고, 여분의 전해액을 제거하거나 부족한 전해액을 보충하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 가스 포켓부(B)는 해당 변의 폭(A)을 기준으로 일정부분 형성되어 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 30% 내지 60%의 폭으로 전지케이스 상에 형성할 수 있으며, 이는 식 B = (0.3 ~0.6 )A 으로 표현될 수 있다.

경우에 따라서는, 활성화 과정에서 소모되었거나 또는 제조과정에서 부족하게 주입된 전해액을 2차 주액하여 보충할 수도 있으며, 일정시간(예를 들어, 12 시간) 동안의 방치, 활성화 충전 등을 재차 수행할 수 있다.

상기 단계(e)에서는 미실링부 중 전극조립체 수납부로부터 소정의 폭으로 이격된 부위를 실링하여 미실링 잉여부를 형성하는 바, 상기 미실링 잉여부는 해당 변의 폭(A)을 기준으로 바람직하게는 10% 내지 40%, 더욱 바람직하게는 20 내지 30%의 폭으로 전지케이스 상에 형성할 수 있으며, 이는 식 C = (0.1 ~ 0.4 )A 로 표현될 수 있다. 상기 미실링 잉여부가 10% 미만이면, 비정상적인 작동 조건에서 발생한 가스를 포집하여 전지의 폭발 위험성을 방지할 수 있는 효과가 미미하며, 반대로 40%를 초과하면, 전지의 크기가 증가하므로 바람직하지 않다.

상기 단계(f)에서는 미실링 잉여부 중 상기 수납부와 접하는 일면을 다시 재차 실링하는 것이다. 이는 미실링 잉여부로 전해액이 누출되는 것을 막기 위함이다. 전해액이 미실링 잉여부로 누출되면 리튬이온의 이동거리가 상대적으로 길어지고 셀의 저항이 높아지게 되어 좋지 않다. 따라서, 전해액이 누출되지 않도록 수납부에 접하는 부분을 실링하는 것이다. 다만, 이렇게 실링된 부분은 전지 내에 고압 발생시 다른 실링 부분보다도 우선적으로 개방되어야하기 때문에, 실링 강도 및 실링 압력 등의 수치한정이 반드시 요구된다.

본 발명에 있어서, 상기 수납부와 접하는 상기 미실링 잉여부 일면은, 미실링 잉여부의 실링된 측면실링부 폭의 20 ~ 40% 범위 이내로 형성되는 것이 바람직하다. 20% 미만이면 전해액 침투를 막기에 부족할 수 있고, 40% 초과하면 전지 내에 압력발생시 미실링 잉여부가 원하는 압력에서 개방되지 않을 우려가 있다. 통상적으로 파우치형 전지의 측면실링부의 폭은 약 15 ㎜ 정도로 형성한다.

같은 이유로, 상기 수납부와 접하는 미실링 잉여부의 일면은, 미실링 잉여부 의 실링된 측면실링부의 50 ~ 70%의 압력으로 실링된 것이 바람직하다. 50% 미만에서는 전해액 침투를 막기에 부족할 수 있고, 70% 초과하면 전지 내에 압력발생시 미실링 잉여부가 원하는 압력에서 개방되지 않을 우려가 있다.

본 발명에 있어서, 상기 수납부와 접하는 미실링 잉여부의 일면은, 40 ~ 80 N 범위 이내의 파단강도를 갖게끔 실링된 것이 적당하다. 40N 미만에서는 전해액 침투를 막기에 부족할 수 있고, 80N 초과하는 경우 수납부와 접하는 부분의 실링이 파괴되기 전에 다른 외곽변의 실링이 먼저 파괴될 우려가 있어 바람직하지 않을 수 있다. 통상적으로 파우치형 전지의 측면실링부의 파단강도는 약 100 N 정도를 나타낸다.

이와 같이, 미실링 잉여부의 수납부와 접하는 일면은 실링 정도 내지 강도가 가장 약하므로, 전지 내에서 고압이 발생할 시 1차적으로 미실링 잉여부가 개방·팽창하면서 전지 내압이 상승하는 것을 억제하게 된다. 이후에도 소정의 임계값 이상으로 고압이 발생하면 2차적으로 미실링 잉여부에 인접한 상기 변(A)의 실링부가 벌어지면서 전지 내에서 발생한 고압의 가스를 배출함으로써, 폭발로부터 전지의 안전성을 담보할 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히, 리튬 함유 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조과정 중 전해액을 주입하는 단계에 대한 모식도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 파우치형 이차전지(100)에서, 전극단자들(112, 114)이 연결되어 있는 전극조립체(110)는 일측에 수납부(120)가 형성된 두 개의 라미네이트 시트로 이루어진 케이스(130) 내에 장착되어 있다.

4 변 중 전극단자들(112, 114)을 포함하는 상변 및 하변을 포함하여 3 개의 변에는 열압축에 의해 실링부(140)가 형성되어 있고, 나머지 변은 미실링부(150)의 상태로 남아 있다. 그러한 미실링부(150)을 통해 전해액이 주입된다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전해액 주입 후 미실링부에 가스 포켓부를 형성한 상태에서 활성화 과정을 수행하는 단계가 모식적으로 도시한 것이다.

도 3를 참조하면, 전지케이스의 미실링부 중 외주면 단부만을 소정의 폭으로 실링하여, 상대적으로 큰 가스 포켓부(160)를 형성한다. 단부 실링부(162)는 활성화 과정에서 발생하는 가스를 일시적으로 포집하기 위한 가스 포켓부(160)를 만들 기 위해 형성하므로, 단부 실링부(162)의 폭은 기타 실링부(140)의 폭에 비해 상대적으로 작다.

앞서의 설명과 같이, 활성화 과정을 통한 최초 충방전시 전극조립체(110)의 음극에 보호막이 형성되며 이러한 과정에서 일부 카보네이트 화합물이 분해하며 발생한 가스가 가스 포켓부(160)에서 포집된다. 이러한 활성화 과정을 통해, 최종적으로 완성된 전지셀의 충전시 기형성된 보호막은 정상적인 작동조건 하에서 추가적인 가스 발생량을 적게 할 수 있다.

도 4 및 도 5에는 단부 실링부를 제거하여 포집 가스를 배출하는 과정과 미실링 잉여부를 형성하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.

우선 도 4을 참조하면, 도 3의 단부 실링부(162)를 제거할 수 있도록 가스 포켓부(160)를 일부 제거하여, 가스 포켓부(160)에 포집되어 있던 발생 가스를 제거하며, 이러한 과정에서 과잉의 잉여 전해액을 짜내거나 및/또는 부족한 전해액을 보충할 수 있다. 가스 포켓부(160)의 절취 크기는 대략 도 5에서의 미실링 잉여부를 형성하면서 소정 크기의 실링부가 형성될 수 있도록 적절히 조절한다.

도 5을 참조하면, 미실링 잉여부(170)가 형성될 수 있도록 소정의 외주면 단부를 실링하여 측면 실링부(172)를 형성한다. 이후, 수납부와 접하는 미실링 잉여부의 일면(171)을 실링하여 최종적으로 미실링 잉여부(170)가 형성된다. 앞서의 설명과 같이, 측면 실링부(172)는 기타 실링부(140)의 폭과 동일할 수도 있지만, 바람직하게는 그보다 작게하는 것이다. 또한, 수납부와 접하는 미실링 잉여부의 일면(171)은 측면 실링부(172)에 비해 실링 정도가 약한 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 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 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조과정 중 전해액을 주입하는 단계에 대한 모식도이다.

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전해액 주입 후 미실링부에 가스 포켓부를 형성한 상태에서 활성화 과정을 수행하는 단계의 모식도이다.

도 4는 단부 실링부를 제거하여 포집 가스를 배출하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 5는 미실링 잉여부를 형성한 본 발명 일실시예의 전지를 나타낸 도면이다.

Claims (9)

1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 전지케이스의 실링부와 전극조립체 사이에는 발생 가스를 포집할 수 있도록 미실링 상태의 잉여부(미실링 잉여부)가 포함되어 있고, 이러한 실링부는,

   (a) 상기 전극조립체에 일치하는 크기의 수납부가 일측 또는 양측에 형성되는 상부 및 하부 라미네이트 시트에 전극조립체를 장착하는 단계;

   (b) 상기 상부 및 하부 라미네이트 시트의 4 변 중 전극 단자의 위치를 포함한 3 변을 실링하는 단계;

   (c) 상기 미실링부를 통해 전해액을 주입하는 단계;

   (d) 전지를 초기 활성화하고, 발생 가스를 배출하는 단계;

   (e) 상기 미실링부를 실링하여, 해당 변의 폭을 기준으로 10 내지 40%의 폭으로 미실링 잉여부를 형성하는 단계; 및

   (f) 상기 수납부와 접하는 상기 미실링 잉여부 일면을 실링하는 단계

   를 포함하는 과정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부와 접하는 상기 미실링 잉여부 일면은, 미실링 잉여부의 실링된 측면실링부 폭의 20 ~ 40%으로 실링된 것임을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부와 접하는 미실링 잉여부의 일면은, 미실링 잉여부의 실링된 측면실링부의 50 ~ 70%의 압력으로 실링된 것임을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부와 접하는 미실링 잉여부의 일면은, 40 ~ 80 N 범위 이내의 파단강도를 갖게끔 실링된 것임을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 미실링 잉여부를 포함하는 변의 폭은 실링부를 포함하는 다른 변의 폭보다 10 내지 50% 이상 큰 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(c) 이후 및 단계(d) 이전에, 전해액을 주입한 미실링 부위의 외주면 단부부위(단부 실링부)만을 실링하여, 전지케이스 내부에 해당 변의 폭을 기준으로 30 내지 60%의 폭으로 가스포켓부를 형성하고, 상기 단부 실링부를 절취하여 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하고 여부의 전해액을 제거 하거나 부족한 전해액을 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 미실링 잉여부를 포함하는 변의 폭은 실링부를 포함하는 다른 변의 폭보다 15 내지 25% 크고, 상기 미실링 잉여부는 해당 변의 폭을 기준으로 20 내지 30%의 폭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 전지 내에서 고압의 발생시 1차적으로 미실링 잉여부가 개방·팽창하면서 내압 상승을 억제하고, 임계값 이상의 고압 발생시 2차적으로 미실링 잉여부 인접 실링부가 벌어지면서 고압 가스를 배출하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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