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KR20190010434A - 이차전지용 파우치 외장재, 이를 이용한 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

이차전지용 파우치 외장재, 이를 이용한 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20190010434A
KR20190010434A KR1020180075766A KR20180075766A KR20190010434A KR 20190010434 A KR20190010434 A KR 20190010434A KR 1020180075766 A KR1020180075766 A KR 1020180075766A KR 20180075766 A KR20180075766 A KR 20180075766A KR 20190010434 A KR20190010434 A KR 20190010434A
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South Korea
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pouch
secondary battery
type secondary
exterior member
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정태진
정병천
강달모
문정오
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주식회사 엘지화학
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Priority to US16/334,509 priority patent/US11239515B2/en
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Abstract

전극조립체를 수납부에 정위치로 용이하게 장착할 수 있고, 대기에 접하는 실링부를 최소화하여 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있도록 일체형이면서, 조립 과정 중 파우치 외장재가 파열되는 것을 방지할 수 있고, 또한 셀의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 파우치 외장재, 이를 이용한 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지용 파우치 외장재는, 전극조립체를 포장하기 위해 사용되는 1 단위의 시트형 파우치 외장재이고, 상기 파우치 외장재의 중앙에 형성되고 상기 전극조립체 두께만큼의 폭을 갖는 삽입부; 상기 전극조립체 너비 중간에 대응되는 부분부터 상기 전극조립체 가장자리에 대응되는 부분으로 갈수록 점차 깊어지며 상기 삽입부 양측에 대칭적으로 형성된 수납부; 및 상기 삽입부 양단에 형성되고 끝으로 갈수록 점차 깊이가 작아지는 삼각형 단차부를 포함하는 것이다.

Description

이차전지용 파우치 외장재, 이를 이용한 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법 {POUCH CASE FOR SECONDARY BATTERY, POUCH TYPE SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF USING THE SAME}
본 발명은 이차전지용 파우치 외장재, 이를 이용한 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 셀의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있도록 포밍 형상을 개선한 이차전지용 파우치 외장재와 이를 이용한 파우치형 이차전지 및 그러한 파우치형 이차전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이차전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더 등 모바일 기기들의 전원으로 널리 사용되고 있다. 특히 리튬 이차전지의 사용은 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 이점으로 인해 급속도로 증가되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물을 양극 활물질로, 탄소재를 음극 활물질로 사용하며, 일반적으로, 사용되는 전해질의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류되기도 하며, 전지의 외형에 따라 원통형, 각형 및 파우치형 이차전지로 분류되기도 한다. 대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높다.
그 중에서도 형태 및 크기에 제약이 없고, 열융착을 통한 조립이 쉬우며, 이상 거동 발생시 기체나 액체를 내보내는 효과가 용이하여 경량의 얇은 두께의 셀 제작에 특히 적합한 파우치형 이차전지에 대한 관심이 집중되고 있다. 일반적으로 파우치형 이차전지는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 외장재에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 파우치형 이차전지는 알루미늄 라미네이트 시트에 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 포밍하고, 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 상기 알루미늄 라미네이트 시트에서 분리되어 있는 별도의 알루미늄 라미네이트 시트 또는 연장되어 있는 알루미늄 라미네이트 시트를 열융착하는 것으로 제조된다.
이러한 파우치 외장재는 대략 113 ㎛ 두께의 알루미늄 라미네이트 시트를 다이와 펀치를 사용하여 딥-드로잉 공정에 유사한 방식으로 부분 압축함으로써 수납부를 포밍할 수 있다. 그러나, 상기와 같이 얇은 두께의 알루미늄 라미네이트 시트는 그것을 압축하는 과정에서 파열 등이 유발될 수 있으므로, 일반적으로 15 mm 이상의 깊이를 가진 수납부를 포밍하기 어렵다.
한편, 분리형의 파우치 외장재에서는 두 단위의 알루미늄 라미네이트 시트를 상호 겹쳐 밀봉하는 방식으로 결합되므로, 이차전지의 제조 과정에서 전극조립체를 내장한 상태로 양측 수납부를 정위치에서 상호 중첩시켜야 한다. 상기 전극조립체가 정위치로 장착되지 못할 경우 내부 단락이 유발되므로, 별도의 가이드 장치가 요구되어 제조비용이 증가하게 된다. 또한, 두 단위의 알루미늄 라미네이트 시트는 4면에서 결합되어 실링부를 형성하므로, 상기 4면 모두에서 대기와 접하게 되어 장기간의 사용시 공기의 유입 가능성이 매우 높아지게 되고, 그로 인하여 전지의 수명을 단축시키는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 1 단위의 알루미늄 라미네이트 시트에 서로 대응하는 두 개의 수납부를 포밍하여 상호 중첩시키고 3면을 실링하는 방법에 대한 기술들이 많이 소개되고 있다.
도 1은 종래 3면 실링 파우치형 이차전지의 파우치 외장재 상면도이다. 도 2는 도 1의 파우치 외장재를 이용한 파우치형 이차전지 제조 방법의 단계별 단면 모식도로서, 도 1의 II-II' 단면에 해당한다. 도 3은 도 2와 같은 방법으로 제조한 파우치형 이차전지의 상면도이다.
먼저 도 1 및 도 2의 (a)를 참조하면, 1 단위의 파우치 외장재(10)에 두 개의 완벽히 대응되는 모양과 크기의 수납부들(20a, 20b)을 전극조립체(30)의 두께보다 더 큰 소정의 거리(d)로 이격되도록 포밍한다.
다음, 도 2의 (b)에서와 같이, 일측의 수납부(20a 또는 20b)에 전극조립체(30)를 장착한 상태에서 도 2의 (c)와 같이 수납부들(20a, 20b) 사이의 중앙 부위(F)를 절곡하여 도 2의 (d)와 같이 수납부들(20a, 20b)을 포개고, 절곡된 면을 제외한 나머지 3면을 실링(S)하여, 도 3과 같은 파우치형 이차전지를 제조한다.
이러한 파우치형 이차전지 제조 기술은 파우치 외장재(10)에 포밍하는 수납부(20a, 20b)의 깊이(t)를 대략 전극조립체(30)의 두께 절반으로 감소시킬 수 있고, 파우치형 이차전지의 4면 중 1면(절곡된 중앙 부위(F)측)은 밀폐된 상태를 유지할 수 있다.
그러나, 인접한 두 개의 수납부들(20a, 20b)을 포밍하기 위하여 파우치 외장재(10)를 압축하는 과정에서, 추후 절곡이 이루어질 상기 중앙 부위(F)는 양측으로 수납부(20a, 20b)가 형성될 수 있도록 연신 변형되므로, 일측 방향으로만 연신되는 경우와 비교하여 기계적 강도가 취약해질 수 밖에 없고, 그로 인해 수납부(20a, 20b)를 포밍하는 과정 및/또는 절곡하는 과정에서 파열될 가능성이 매우 높다. 따라서, 수납부들(20a, 20b)을 소정의 거리(d)로 이격하여 포밍하고 있으며, 파우치 외장재(10)가 접히는 부분의 굴곡 형상을 고려하여, 폴딩시 절곡하는 중앙 부위(F) 주변으로 약 1.5mm~3mm의 여유분을 가지도록 포밍하고 있다.
파우치형 이차전지는 고객사로부터 고용량 및 소형화 요구가 많으며 고객의 요구를 구현하기 위해 다양한 구조 및 공정들을 연구/개발하고 있다. 특히 파우치형 이차전지에서는 용량을 증가시키기 위해 불필요한 공간을 활용하여 배터리 용량을 키울 수 있는 방법을 연구하는 시도가 많다.
그런데 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 기존의 3면 실링 파우치형 이차전지에서는 파우치 외장재(10) 폴딩시 절곡하는 중앙 부위(F) 주변으로 두었던 약 1.5mm~3mm의 여유분 때문에, 불필요한 공간인 폴딩부(w)가 발생되어 돌출된다. 이러한 폴딩부(w)는 셀 용량의 제한으로 작용하며 모듈/팩에서의 에너지 밀도를 낮추며, 냉각 구조에서도 불리하므로 개선이 요구된다.
한편, 폴딩부(w)가 없는 파우치형 이차전지들도 제안되어 있다.
도 4는 종래의 다른 파우치형 이차전지의 제조 실시형태를 공정순으로 나타내는 모식도이다.
도 4를 참조하면, (a)에서와 같이, 먼저 필요한 길이 및 폭으로 가공된 파우치 외장재(60)를 길이 방향의 거의 중앙부(C)에서 절곡해 이 절곡된 파우치 외장재(60) 사이에 전극조립체(40)를 위치 결정 배치한다. 이 때, 상기 전극조립체(40)를 형성하는 전극들로부터 인출된 리드(50)를 파우치 외장재(60)의 선단 측에 도출한다.
이어서 (b)에서는, 상기 리드(50)를 도출한 쪽을 제외한 파우치 외장재(60) 다른 개구변을 실링(S)한다. 그 후 리드(50)를 도출한 쪽의 개구부를 통해 필요한 전해액을 주입하고 나서, 이 개구부를 마저 실링(S)한다.
도 4의 제조 형태에 따르면 폴딩부가 형성되지 않는다. 그러나 실링(S)시 절곡된 부분의 파우치 외장재(60)가 눌려지면서, 도 4의 (b)에 "A"로 표시한 바와 같이 바닥면 방향으로 돌출부가 발생하게 되어, 그 부분의 컴팩트화가 손상되게 된다. 이러한 돌출부는 앞서 언급한 폴딩부와 마찬가지로 셀 용량의 제한으로 작용하여 모듈/팩에서의 에너지 밀도 향상에 저해되며, 일명 박쥐 귀(Bat ear)라고 불리는 버 형태로 배치되기에 모듈 조립시 용이하지 않다는 문제가 있다.
이와 같이, 1 단위의 파우치 외장재에서, 전극조립체 수납부를 포밍하는 과정 및/또는 수납부를 중첩시키기 위하여 절곡하는 과정에서 파우치 외장재의 파열 등을 방지하여 불량률을 최소화하면서도 셀의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있도록 불필요한 공간을 갖지 않는 파우치 외장재에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 전극조립체를 수납부에 정위치로 용이하게 장착할 수 있고, 대기에 접하는 실링부를 최소화하여 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있도록 일체형이면서, 조립 과정 중 파우치 외장재가 파열되는 것을 방지할 수 있고, 또한 폴딩부나 돌출부와 같은 불필요한 공간을 갖지 않도록 하여 셀의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 파우치 외장재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 파우치 외장재를 이용한 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이차전지용 파우치 외장재는, 전극조립체를 포장하기 위해 사용되는 1 단위의 시트형 파우치 외장재이고, 상기 파우치 외장재의 중앙에 형성되고 상기 전극조립체 두께만큼의 폭을 갖는 삽입부; 상기 전극조립체 너비 중간에 대응되는 부분부터 상기 전극조립체 가장자리에 대응되는 부분으로 갈수록 점차 깊어지며 상기 삽입부 양측에 대칭적으로 형성된 수납부; 및 상기 삽입부 양단에 형성되고 끝으로 갈수록 점차 깊이가 작아지는 삼각형 단차부를 포함하는 것이다.
상기 수납부에서 상기 삽입부와 먼 쪽의 바닥모서리 깊이는 상기 전극조립체 두께의 1/2 이상인 것이 바람직하다. 상기 삽입부와 상기 수납부들 사이는 편평한 구간이다. 상기 삽입부에 대향하는 수납부 외측이 상대적으로 길게 연장되어 있는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 이러한 파우치 외장재에 전극조립체를 수납하여 열융착한 것이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 포장하기 위해 사용되는 1 단위의 시트형 파우치 외장재를 포함하고, 상기 파우치 외장재는, 상기 파우치 외장재의 중앙에 형성되고 상기 전극조립체 두께만큼의 폭을 갖는 삽입부; 상기 전극조립체 너비 중간에 대응되는 부분부터 상기 전극조립체 가장자리에 대응되는 부분으로 갈수록 점차 깊어지며 상기 삽입부 양측에 대칭적으로 형성된 수납부; 및 상기 삽입부 양단에 형성되고 끝으로 갈수록 점차 깊이가 작아지는 삼각형 단차부를 포함하는 것이다.
그리고, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조 방법에서는, 전극조립체를 포장하기 위해 사용되는 1 단위의 시트형 파우치 외장재이고, 상기 파우치 외장재의 중앙에 형성되고 상기 전극조립체 두께만큼의 폭을 갖는 삽입부; 상기 전극조립체 너비 중간에 대응되는 부분부터 상기 전극조립체 가장자리에 대응되는 부분으로 갈수록 점차 깊어지며 상기 삽입부 양측에 대칭적으로 형성된 수납부; 및 상기 삽입부 양단에 형성되고 끝으로 갈수록 점차 깊이가 작아지는 삼각형 단차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치 외장재를 준비하는 단계; 상기 삽입부에 전극조립체 측면을 세워 장착하고 양쪽 파우치 외장재를 접어올려 상기 수납부들을 포개는 단계; 및 상기 포개어진 수납부들 주변을 열융착하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 파우치 외장재는 상기 삽입부에 대향하는 수납부 외측이 상대적으로 길게 연장되어 있어, 상기 수납부들을 포갠 다음, 상기 수납부 외측을 제외한 부위를 열융착하고 상기 수납부 외측을 통해 전해액을 주입하고 열융착한 뒤, 상기 수납부 외측을 재단하는 것일 수 있다.
본 발명은 3면 실링 파우치형 이차전지에서 폴딩부의 불필요한 공간을 제거할 수 있고, 실링 후 돌출부도 형성되지 않도록 포밍된 파우치 외장재를 제공한다.
본 발명에 따른 파우치 외장재는 종래기술처럼 중앙 부위에서 폴딩하는 것이 아니라 삽입부에 전극조립체 측면을 세워 장착한 상태에서 양쪽 파우치 외장재를 접어올리는 것이므로, 기존 파우치 외장재와 같이 중앙 부위 주변으로 폴딩을 고려한 약 1.5mm~3mm의 여유분을 가지도록 할 필요가 없다.
본 발명에 따르면, 셀에서 불필요한 공간을 남기지 않고 파우치 외장재 내 전극조립체 영역을 극대화할 수 있으므로 셀의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 폴딩부의 불필요한 공간을 삭제하여 셀 용량을 증가시킬 뿐만 아니라, 이러한 파우치형 이차전지를 포함하는 모듈/팩의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
그리고, 폴딩부의 불필요한 공간을 삭제하여 모듈/팩 냉각 구조 및 조립 공정 단순화가 가능해진다. 뿐만 아니라 실링하여도 파우치형 이차전지 바닥면(삽입부에 끼워진 전극조립체의 측면에 해당하는 면)으로부터 돌출되는 돌출부가 없으므로 그 바닥면을 냉각부재에 밀착시킬 수 있어, 에지 쿨링(edge cooling) 타입의 모듈/팩 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 버 형태의 돌출부를 갖지 아니하므로, 모듈 조립시 걸리적거리지 않아 조립 공정 효율을 저해하지 않는 효과가 있다.
본 발명에 따른 파우치 외장재는 제조 과정에서 파우치 외장재가 파열되는 것을 방지하여 불량률을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 장치 없이도 전극조립체를 정위치에 장착할 수 있고, 대기에 접하는 실링부를 최소화하여 공기, 습기 등의 유입 및 전해액의 누액 가능성을 더욱 감소시켜 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 3면 실링 파우치형 이차전지의 파우치 외장재 상면도이다.
도 2는 도 1의 파우치 외장재를 이용한 파우치형 이차전지 제조 방법의 단계별 단면 모식도로서, 도 1의 II-II' 단면에 해당한다.
도 3은 도 2와 같은 방법으로 제조한 파우치형 이차전지의 상면도이다.
도 4는 종래의 다른 파우치형 이차전지의 제조 실시형태를 공정순으로 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다.
도 6은 도 5에 포함되는 파우치 외장재 상면도이다.
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ' 단면 일부에 해당한다.
도 8은 도 7의 파우치 외장재를 이용한 파우치형 이차전지 제조 방법의 단계별 단면 모식도로서, 도 6의 Ⅶ-Ⅶ' 단면에 해당한다.
도 9는 도 8과 같은 방법으로 제조한 파우치형 이차전지의 상면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리 모듈의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 11은 본 발명 실험예에 따라 제조한 파우치 외장재의 사진이다.
도 12는 도 11의 파우치 외장재를 이용하여 제조한 파우치형 이차전지의 사진이다.
도 13은 종래기술에 따른 파우치형 이차전지의 실링부 사진이다.
도 14는 본 발명 다른 실험예에 따른 파우치 외장재를 이용하여 제조한 파우치형 이차전지의 사진이다.
도 15는 도 11에 제시한 파우치형 이차전지의 바닥면 사진이다.
도 16은 종래기술에 따른 파우치형 이차전지의 바닥면 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다. 도 6은 도 5에 포함되는 파우치 외장재 상면도이다. 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ' 단면 일부에 해당한다.
먼저, 도 5를 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는 전극조립체(200), 및 파우치 외장재(300)로 구성되어 있다.
전극조립체(200)는 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극판과 음극판들을 세퍼레이터를 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체일 수 있다. 전극조립체(200)의 양극 리드(210)과 음극 리드(220)는 서로 대향하여 파우치 외장재(300)의 양측에 돌출되어 있다.
본 발명에 따른 파우치 외장재(300)에는 두 개의 대응 수납부들(310a, 310b)이 포밍되어 있다. 그리고, 수납부들(310a, 310b) 사이에는 삽입부(315)가 형성되어 있고 수납부들(310a, 310b)끼리는 연통되어 있지 않다. 수납부들(310a, 310b)은 삽입부(315) 양측으로 대칭 포밍되어 있다. 수납부들(310a, 310b)은 전극조립체(200) 너비 중간에 대응되는 부분(a1, b1)부터 전극조립체(200) 가장자리에 대응되는 부분(a2, b2)으로 갈수록 점차 깊어진다. 삽입부(315)와 수납부들(310a, 310b) 사이의 파우치 외장재(300)는 편평한 구간이다.
기존에 수납부들 사이에 전극조립체의 두께보다 더 큰 간격에 약 1.5~3mm 여유분까지 고려하여 이격 거리를 두었던 것에 비하여, 삽입부(315)는 전극조립체(200) 두께(T)만큼의 폭을 갖는다. 종래에 비하여 두 개의 수납부들(310a, 310b) 사이의 거리는 멀어진다. 기존에 수납부들을 인접하여 형성하여야 하는 경우에 비하여, 삽입부(315)와 수납부들(310a, 310b)을 형성하기 위해 파우치 외장재(300)를 포밍하는 데 있어서 특정 부위의 기계적 강도가 취약해지거나 파열될 염려는 없다.
삽입부(315) 양측으로 수납부들(310a, 310b)이 형성되어 있고, 그 양측 방향과 직교하는, 삽입부(315) 양단에는, 끝으로 갈수록 점차 깊이가 작아지는 삼각형 단차부(317)가 형성되어 있다. 삼각형 단차부(317) 길이가 짧아지면 삼각형 단차부(317) 바닥의 경사가 상대적으로 가파르다. 삼각형 단차부(317) 길이가 길어지면 삼각형 단차부(317) 바닥의 경사가 상대적으로 완만하다. 또한, 삽입부(315) 깊이(h)가 깊으면 삼각형 단차부(317) 바닥의 경사가 상대적으로 가파르다. 삽입부(315) 깊이(h)가 얕으면 삼각형 단차부(317) 바닥의 경사가 상대적으로 완만하다. 삽입부(315) 깊이(h)와 삼각형 단차부(317) 모양은 파우치형 이차전지 제조시 열융착 단계에서 실링 부위의 최종 외곽 형상을 결정한다.
여기서 참조부호 320, 330, 350은 각각 상단 실링부, 하단 실링부 및 측면 실링부를 가리킨다.
하나의 바람직한 예에서, 파우치 외장재(300)는 삽입부(315)에 대향하는 수납부(310a, 310b) 외측이, 즉 측면 실링부(350) 쪽이 상대적으로 길게 연장되어 있는 구조일 수 있다. 이 경우, 파우치형 이차전지(100)는 수납부(310a, 310b)를 중첩시켜 전극조립체(200)를 수용하고, 연장된 길이의 측면 실링부(350) 쪽을 제외한 나머지 실링부(상호 접하는 부위) 전체, 즉 상단 실링부(320), 하단 실링부(330)를 밀봉하고, 상기 측면 실링부(350) 쪽을 통해 전해액을 주입한 다음 밀봉하여, 측면 실링부(350) 쪽을 소정의 크기로 재단하는 것으로 제조될 수 있다. 이러한 파우치 외장재(300)의 구조에 의하여, 전해액을 용이하게 주입할 수 있을 뿐만 아니라, 주입 과정에서 작업자의 실수에 의하여 전해액이 넘쳐 흐르는 등의 문제점을 해결할 수도 있다.
파우치 외장재(300)는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 라미네이트 시트는 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있다. 상기 파우치 외장재(300)는 그 재질이 금속층으로 이루어진 심부와, 상기 심부의 상부면 상에 형성된 열융착층과, 상기 심부의 하부면 상에 형성된 절연막으로 이루어진다. 상기 열융착층은 폴리머 수지인 변성 폴리프로필렌, 예컨대 CPP(Casted Polypropylene)를 사용하여 접착층으로 작용하며, 상기 절연막은 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 수지재가 형성되어 있을 수 있으나, 여기서 상기 파우치 외장재의 구조 및 재질을 한정하는 것은 아니다.
파우치 외장재(300)는 1 단위의 시트이고, 다이와 펀치를 이용한 딥-드로잉 방식으로, 이러한 알루미늄 라미네이트 시트에 대한 압축 성형을 통해, 수납부들(310a, 310b)이 한 번의 공정에 의해 동시에 포밍될 수 있다. 삽입부(315)와 삼각형 단차부(317)도 한 번의 공정에 의해 동시에 포밍될 수 있다. 수납부들(310a, 310b)과 삽입부(315)와 삼각형 단차부(317)도 한 번의 공정에 의해 동시에 포밍될 수 있다.
도 6 내지 도 8을 더 참조하면, 수납부(310a)에서 삽입부(315)와 먼 쪽의 바닥모서리(a2) 깊이(t1)는 전극조립체(200) 두께(T)의 1/2 이상이고, 마찬가지로, 수납부(310b)에서 삽입부(315)와 먼 쪽의 바닥모서리(b2) 깊이(t1)도 전극조립체(200) 두께(T)의 1/2 이상이다. 바닥모서리(a2, b2) 깊이(t1)는 전극조립체(200) 두께(T)의 1/2인 것이 남는 부분이 없어 이상적이겠으나 제품에 따라서는 공정의 편의를 위한 여유분조로 조금 더 깊게 형성할 수 있다. 따라서, 바닥모서리(a2, b2) 깊이(t1)는 전극조립체(200) 두께(T)의 1/2 이상으로 한다.
도 7에 특히 잘 나타낸 바와 같이 각 수납부(310a, 310b)는 바닥면이 기울어진 모양이 된다. 수납부들(310a, 310b)은 전극조립체(200) 너비 중간에 대응되는 부분(a1, b1)부터 전극조립체(200) 가장자리에 대응되는 부분(a2, b2)으로 갈수록 점차 깊어진다.
전극조립체(200) 너비 중간에 대응되는 부분(a1, b1)은 삽입부(315)의 깊이(h)에 따라 유동적이다. 삽입부(315)의 깊이(h)가 깊어질수록 전극조립체(200) 너비 중간에 대응되는 부분(a1, b1)은 삽입부(315) 쪽으로 가까워진다. 반대로, 삽입부(315)의 깊이(h)가 얕아질수록 전극조립체(200) 너비 중간에 대응되는 부분(a1, b1)은 삽입부(315)로부터 멀어진다. 삽입부(315)의 깊이(h)는 파우치 외장재(300)의 재질, 연신율 등을 고려하여 정할 수 있고, 앞서 언급한 바와 같이 삽입부(315)의 깊이(h)는 삼각형 단차부(317)의 모양에도 영향을 주어, 궁극적으로는 실링 부위의 최종 외곽 형상을 결정하므로 주의깊게 고려해야 할 인자이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 종래기술에서, 기존에 수납부들 깊이는 전극조립체 두께의 절반 정도에 해당하여 일정하며 수납부 바닥면이 기울어져 있지 않다. 이에 반해 본 발명의 파우치 외장재(300)의 수납부들(310a, 310b)은 최대 깊이가 깊이(t1)으로서 전극조립체(200) 두께(T)의 1/2 이상이고 최소 깊이는 0으로서, 바닥면은 최대 깊이를 갖는 한쪽 모서리(전극조립체(200) 가장자리에 대응되는 부분)로부터 최소 깊이를 갖는 반대편(전극조립체(200) 너비 중간에 대응되는 부분)까지 서서히 경사가 져 기울어지는 모양이다.
이와 같이 본 발명의 파우치 외장재(300)는 기존의 파우치 외장재와는 수납부들의 성형 깊이, 바닥면 모양, 그리고 두 수납부 사이에 있는 삽입부의 존재, 그리고 삽입부 양단에 있는 삼각형 단차부 등이 매우 다르다.
도 8은 도 6의 파우치 외장재를 이용한 파우치형 이차전지 제조 방법의 단계별 단면 모식도로서, 도 6의 Ⅶ-Ⅶ' 단면에 해당한다. 도 9는 도 8과 같은 방법으로 제조한 파우치형 이차전지의 상면도이다.
도 8의 (a)는 파우치 외장재(300) 포밍 후 펼쳐진 상태의 단면도이고, 전극조립체(200)가 장착되기 위해 삽입부(315) 위쪽으로 이동해 있다. 이후, 도 8의 (b)에서와 같이, 파우치 외장재(300) 가운데 삽입부(315)에 전극조립체(200) 측면(230)을 세워 끼운 상태에서 도 8의 (c) 및 (d)와 같은 순서로, 양쪽 수납부들(310a, 310b) 쪽의 파우치 외장재(300)를 접어올려 수납부들(310a, 310b)을 전극조립체(200) 양면에, 즉, 전극조립체(200) 너비를 결정하는 넓은 면(도 5의 240)에 중첩시키어 포갠다.
도 8과 도 5를 함께 참조하면, 양극 리드(210) 및 음극 리드(220)가 상단 실링부(320) 및 하단 실링부(330)에 대응하도록 전극조립체(200) 측면(230)을 삽입부(315)에 장착하고, 상단 실링부(320)와 하단 실링부(330) 및 측면 실링부(350)가 각각 접하도록 파우치 외장재(300)를 절곡하는 것이다.
이 때, 종래처럼 수납부들(310a, 310b) 사이에 평평한 중앙 부위를 절곡하는 것이 아니라, 삽입부(315)에 꼭 맞게 전극조립체(200)가 끼워진 상태에서 양쪽 파우치 외장재(300)가 접어올려지는 것이므로, 전극조립체(200)의 측면(230)을 불필요하게 남는 공간없이 감쌀 수 있고 절곡의 각도가 종래보다 크지 않기 때문에 무리한 절곡 힘이 가해지지 않는다.
그 뿐만 아니라, 삽입부(315)와 수납부들(310a, 310b) 사이는 편평한 구간으로 하고, 수납부들(310a, 310b)은 전극조립체(200) 너비 중간에 대응되는 부분(a1, b1)부터 전극조립체(200) 가장자리에 대응되는 부분(a2, b2)으로 갈수록 점차 깊어지게 형성하므로, 전극조립체(200)의 넓은 면(240)도 맞춤으로 감싸면서 전극조립체(200) 측면(230)에 대향되는 다른 측면의 모서리 부분까지 감쌀 수 있다.
본 발명에 따른 파우치 외장재(300)는 유연하여 용이하게 접어올려질 수 있으며, 큰 힘이 필요한 절곡 부분이 없으므로 주름 등이 발생하지 않고, 후속 단계에서 견고하게 밀봉될 수 있다. 이와 같이, 종래에는 두 수납부 사이의 중앙 부분인 하나의 절곡선을 기준으로 절곡하여 절곡된 부분이 전극조립체의 측면 가운데 부분에 잉여부로 구성이 되고 말지만, 본 발명에서는 중앙 부분에 삽입부(315)가 있으므로 여기에 끼워지는 전극조립체(200) 측면(230) 쪽에 불필요하게 남는 부분이 없다. 또한, 수납부들(310a, 310b)의 바닥면 경사 구조를 통하여, 삽입부(315)에 끼워지는 전극조립체(200) 측면(230)의 맞은편 측면도 딱 맞아 떨어지게 수납할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 파우치 외장재의 포밍 형상을 변경하여 전극조립체의 측면 모서리를 완전히 감싸도록 하기 때문에 모서리 부위에 불필요한 공간을 남기지 않으면서도 안정감 있게 밀봉할 수 있으며, 파우치 외장재 내 전극조립체 영역을 극대화할 수 있어, 고용량 고밀도 전기 자동차용 전지 및 대용량 이차전지에 사용될 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 5의 상단 실링부(320)와 하단 실링부(330) 및 측면 실링부(350)가 각각 접하도록 파우치 외장재(300)를 절곡하여 중첩시킨 도 8의 (d) 이후 과정은, 상단 실링부(320) 및 하단 실링부(330)를 열융착하고, 측면 실링부(350)의 이격 틈으로 전해질을 주입하여 측면 실링부(350)를 열융착한 다음, 측면 실링부(350)를 소정의 길이로 재단하는 순으로 이어질 수 있다.
특히, 본 발명에서는 삽입부(315) 양단에 끝으로 갈수록 점차 깊이가 작아지는 삼각형 단차부(317)를 형성하므로, 실링부(320, 330, 350) 열융착 이후에 전극조립체(200) 측면(230) 쪽으로 돌출부가 형성되지 않는 것이 큰 특징이다.
도 9를 참조하면, 상단과 하단 실링부(320, 330) 열융착 후의 실링(S)까지 표시하였는데, 종래와 다르게 전극 리드가 각각 인출된 상단과 하단에 파우치 외장재가 눌려져 발생하는 돌출부가 형성되지 않고 오히려 "B"로 표시한 바와 같이 만입부가 형성된다. 이는, 파우치 외장재(300)에 포밍한 삼각형 단차부(317)로 인한 효과이다. 앞서 언급한 바와 같이 삼각형 단차부(317)의 모양은 실링 부위의 최종 외곽 형상을 결정하므로 삼각형 단차부(317)의 모양은 이러한 만입부(B)의 형상 및 만입 정도에 영향을 준다. 그리고 삼각형 단차부(317)의 모양에 영향을 주는 것은 삼각형 단차부(317)의 길이 및 삽입부(315)의 깊이(h)이므로, 이들 인자 조절을 통해 만입부(B) 형상을 결정할 수 있다.
이와 같이, 파우치 외장재(300)에 전극조립체(200) 두께 방향 측면(230) 형상의 삽입부(315)를 포밍한 후 전극조립체(200)를 삽입하면, 전극조립체(200) 측면(230)이 놓이는 면(파우치형 이차전지의 바닥면이라고 할 수 있음) 평평한 형태로 제작 가능하다. 그리고, 삽입부(315) 양단에 삼각형 단차부(317)를 형성함에 따라, 기존에 실링시 발생하던 돌출부가 파우치형 이차전지의 바닥면 대비 돌출되지 않는 효과가 있다.
이처럼 본 발명은 3면 실링시 파우치 외장재의 폴딩부나 실링시 돌출부 등 불필요한 공간을 제거하여 파우치형 이차전지 안에 포함되는 전극조립체의 용량을 키울 수 있다. 본 발명에 따른 파우치 외장재를 이용해 제조된 파우치형 이차전지에서 버 형상의 돌출부가 형성되지 않기 때문에 이로 인한 데드 스페이스가 형성되지 않고, 이러한 파우치형 이차전지를 포함하는 모듈/팩의 에너지 밀도를 현저히 높일 수 있다. 또한, 돌출부를 제거하여 모듈 조립성이 용이해진다. 종래와 같은 돌출부로 인해 야기될 수 있는 주변 구성품들 등간의 간섭 등이 발생되지 않기에, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지를 포함하는 모듈/팩의 조립 공정 효율, 또한, 현저히 높일 수 있다. 또한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지에서 평평한 바닥면은 에지 쿨링 타입 냉각에 매우 유리하다.
한편, 파우치형 이차전지(100)는 양극 리드(210)과 음극 리드(220)이 서로 대향하여 돌출되어 있는 전극조립체(200) 위주로 설명을 하였으나, 양극 리드와 음극 리드가 서로 같은 쪽으로 돌출되어 있는 전극조립체에 대하여도 본 발명에 따른 파우치 외장재를 이용하여 파우치형 이차전지로 제조할 수 있다.
도 9와 같은 파우치형 이차전지(100)는 여러 개 적층되어 모듈/팩으로 제조될 수 있다. 도 10은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리 모듈의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 10을 참조하면, 배터리 모듈(500)에서, 파우치형 이차전지(100)는 여러 개가 모아져, 실링되지 않는 1개의 면이 하부에 위치하여 쿨링 플레이트(600)의 상부면에 부착되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 파우치형 이차전지(100)는 도 9의 구성에서 좌측 측면에 해당하는 면이 하부에 위치함으로써, 이러한 면이 쿨링 플레이트(600)의 상부면에 안착하여 접촉되도록 구성될 수 있다.
실링되지 않는 면은 실링되는 면에 비해 불필요하게 돌출되는 구성이 없으므로 쿨링 플레이트(600)에 파우치형 이차전지(100)를 완전히 밀착시킬 수 있고, 쿨링 플레이트(600)의 상면 구조가 단순화될 수 있다. 파우치형 이차전지(100) 내의 전극조립체와 쿨링 플레이트(600)가 매우 가깝게 위치할 수 있다. 즉, 실링되지 않는 면에 불필요하게 돌출되는 구성이 없으므로 쿨링 플레이트(600)와 파우치형 이차전지(100)를 완전히 밀착시킬 수 있다. 그러므로, 전체 배터리 모듈(500)의 부피를 줄여 에너지 밀도를 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 본 발명의 구성에 의하면, 파우치형 이차전지(100)와 쿨링 플레이트(600) 사이의 접촉 면적을 최대로 확보할 수 있어 열 전달을 증가시킬 수 있다. 따라서, 파우치형 이차전지(100) 내부의 전극조립체에서 발생한 열이 쿨링 플레이트(600)로 보다 신속하고 원활하게 전달될 수 있어 냉각 효율이 향상될 수 있다.
이하에서는 본 발명 실험예와 종래기술을 비교하여 설명한다.
도 11은 본 발명 실험예에 따라 제조한 파우치 외장재의 사진이다. 수납부(310a, 310b)가 아래로 가도록 파우치 외장재(300)를 뒤집어 촬영해, 파우치 외장재(300)의 저면이 보인다. 도 11을 참조하면, 파우치 외장재(300)는 전극조립체 두께만큼의 폭을 갖는 삽입부(315)를 1 단위의 시트형 파우치 외장재 중앙에 포밍하였고, 전극조립체 너비 중간에 대응되는 부분부터 전극조립체 가장자리에 대응되는 부분으로 갈수록 점차 깊어지는 수납부(310a, 310b)를 삽입부(315) 양측으로 대칭 포밍하였다. 또한, 삽입부(315) 양단에 끝으로 갈수록 점차 깊이가 작아지는 삼각형 단차부(317)도 형성하였다. 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 파우치 외장재(300) 제조 과정에서 파열되거나 찢어짐 없이 포밍가능함을 확인하였다. 수납부(310a, 310b)와 삽입부(315) 및 삼각형 단차부(317)가 원하는 대로 형성이 되었고, 어느 한 군데 왜곡되거나 응력이 집중하는 현상없이 포밍할 수 있음을 확인하였다.
도 12는 도 11의 파우치 외장재(300)를 이용하여 제조한 파우치형 이차전지의 상면 사진이다. 본 실험예에서 상단과 하단 실링부는 도 11의 파우치 외장재(300)의 삽입부(315)에 대응되는 측면 대비 각각 p1, p2만큼 약간 돌출된 것으로 확인이 되었지만, 도 13과 같은 종래기술의 돌출 정도인 p3와 비교시 매우 미미한 정도이다. 그리고, 이 돌출 정도는 앞서 언급한 바와 같이 파우치 외장재(300)의 삽입부(315)의 깊이 조절로 제거 가능하다. 삽입부(315)의 깊이를 돌출양만큼 더 깊게 조절하면 돌출부를 제거할 수 있다. 단, 삽입부(315) 깊이가 깊어지면 수납부들(310a, 310b)의 폭, 즉, 전극조립체(200) 너비 중간에 대응되는 부분(a1)부터 전극조립체(200) 가장자리에 대응되는 부분(a2)까지의 길이, 그리고 전극조립체(200) 너비 중간에 대응되는 부분(b1)부터 전극조립체(200) 가장자리에 대응되는 부분(b2)까지의 길이는 줄어들어야 한다.
도 14는 본 발명 다른 실험예에 따른 파우치 외장재를 이용하여 제조한 파우치형 이차전지의 사진이다.
도 12의 결과 확인 후, 삽입부(315)의 깊이를 p1~p2 돌출양만큼 더 깊게 조절하여 다른 파우치 외장재를 제조하고, 이를 이용해 파우치형 이차전지로 제조한 결과, 도 12 대비 돌출부를 제거할 수 있었다. 오히려 파우치 외장재(300)의 삽입부(315)에 대응되는 측면 대비 소정 거리(p4) 더 안쪽으로 하단 실링부가 위치하였다. 이처럼, 본 발명에 따르면, 전극조립체(200) 측면(230)이 놓이는 면(파우치형 이차전지의 바닥면), 즉 실링되지 않는 면에서 불필요한 공간을 삭제하여 셀 용량을 증가시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 파우치형 이차전지를 포함하는 모듈/팩의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 그리고, 불필요한 공간을 삭제하여 모듈/팩 냉각 구조 및 조립 공정 단순화가 가능해진다.
도 15는 본 발명 실험예에 따른 파우치형 이차전지의 바닥면(파우치 외장재(300)의 삽입부(315)에 끼워지는 전극조립체(200)의 측면(230)에 대응되는 면) 사진이고, 도 16은 종래기술에 따른 파우치형 이차전지의 바닥면 사진이다. 도 15와 도 16의 비교를 통해, 본 발명의 경우가 파우치형 이차전지 바닥면이 편평해져서 에지 쿨링 방식의 모듈에서 밀착력이 개선되고, 이에 따라 냉각 성능이 개선될 수 있음을 확인 가능하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 파우치형 이차전지 200: 전극조립체
300: 파우치 외장재 310a, 310b: 수납부
315: 삽입부 317: 삼각형 단차부
500: 배터리 모듈 600: 쿨링 플레이트

Claims (11)

  1. 전극조립체를 포장하기 위해 사용되는 1 단위의 시트형 파우치 외장재이고,
    상기 파우치 외장재의 중앙에 형성되고 상기 전극조립체 두께만큼의 폭을 갖는 삽입부;
    상기 전극조립체 너비 중간에 대응되는 부분부터 상기 전극조립체 가장자리에 대응되는 부분으로 갈수록 점차 깊어지며 상기 삽입부 양측에 대칭적으로 형성된 수납부; 및
    상기 삽입부 양단에 형성되고 끝으로 갈수록 점차 깊이가 작아지는 삼각형 단차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치 외장재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수납부에서 상기 삽입부와 먼 쪽의 바닥모서리 깊이는 상기 전극조립체 두께의 1/2 이상인 것을 특징으로 하는 파우치 외장재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 삽입부와 상기 수납부들 사이는 편평한 구간인 것을 특징으로 하는 파우치 외장재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 삽입부에 대향하는 수납부 외측이 상대적으로 길게 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치 외장재.
  5. 전극조립체; 및
    상기 전극조립체를 포장하기 위해 사용되는 1 단위의 시트형 파우치 외장재를 포함하고,
    상기 파우치 외장재는,
    상기 파우치 외장재의 중앙에 형성되고 상기 전극조립체 두께만큼의 폭을 갖는 삽입부;
    상기 전극조립체 너비 중간에 대응되는 부분부터 상기 전극조립체 가장자리에 대응되는 부분으로 갈수록 점차 깊어지며 상기 삽입부 양측에 대칭적으로 형성된 수납부; 및
    상기 삽입부 양단에 형성되고 끝으로 갈수록 점차 깊이가 작아지는 삼각형 단차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수납부에서 상기 삽입부와 먼 쪽의 바닥모서리 깊이는 상기 전극조립체 두께의 1/2 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 삽입부와 상기 수납부들 사이는 편평한 구간인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  8. 전극조립체를 포장하기 위해 사용되는 1 단위의 시트형 파우치 외장재이고,
    상기 파우치 외장재의 중앙에 형성되고 상기 전극조립체 두께만큼의 폭을 갖는 삽입부;
    상기 전극조립체 너비 중간에 대응되는 부분부터 상기 전극조립체 가장자리에 대응되는 부분으로 갈수록 점차 깊어지며 상기 삽입부 양측에 대칭적으로 형성된 수납부; 및
    상기 삽입부 양단에 형성되고 끝으로 갈수록 점차 깊이가 작아지는 삼각형 단차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치 외장재를 준비하는 단계;
    상기 삽입부에 전극조립체 측면을 세워 장착하고 양쪽 파우치 외장재를 접어올려 상기 수납부들을 포개는 단계; 및
    상기 포개어진 수납부들 주변을 열융착하는 단계를 포함하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 파우치 외장재는 상기 삽입부에 대향하는 수납부 외측이 상대적으로 길게 연장되어 있어, 상기 수납부들을 포갠 다음, 상기 수납부 외측을 제외한 부위를 열융착하고 상기 수납부 외측을 통해 전해액을 주입하고 열융착한 뒤, 상기 수납부 외측을 재단하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 수납부에서 상기 삽입부와 먼 쪽의 바닥모서리 깊이는 상기 전극조립체 두께의 1/2 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 삽입부와 상기 수납부들 사이는 편평한 구간인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조 방법.
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