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KR101787636B1 - 전지 셀 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

전지 셀 및 이를 포함하는 디바이스 Download PDF

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KR101787636B1
KR101787636B1 KR1020140129394A KR20140129394A KR101787636B1 KR 101787636 B1 KR101787636 B1 KR 101787636B1 KR 1020140129394 A KR1020140129394 A KR 1020140129394A KR 20140129394 A KR20140129394 A KR 20140129394A KR 101787636 B1 KR101787636 B1 KR 101787636B1
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electrode
coating layer
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insulating member
lead
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김홍신
김지영
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 전극 탭을 구비하는 전극 조립체; 상기 전극 탭과 연결되고, 일부 영역에 코팅층이 형성된 전극 리드; 상기 전극 리드 중 코팅층이 형성되지 않은 영역이 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 외장재; 및 상기 전극 리드 및 외장재가 접촉되는 영역에 형성되는 절연 부재를 포함하는 전지 셀에 관한 것이다.

Description

전지 셀 및 이를 포함하는 디바이스 {BATTERY CELL AND DEVICE COMPRISING THEREOF}
본 발명은 전지 셀 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 핸드폰, 노트북, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야에서 적용하기 위하여 활발한 연구가 이루어지고 있다.
이러한, 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등으로 구분될 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 휴대용 전자 기기 또는 고출력의 하이브리드 자동차에 주로 사용되고 있다.
일반적으로 리튬 이차 전지는, 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다. 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
종래의 파우치형 이차 전지는, 전극 조립체, 상기 전극 조립체로부터 연장되어 있는 전극 탭들, 상기 전극 탭들에 용접되어 있는 전극 리드 및 상기 전극 리드의 일부에 부착되는 절연 필름을 포함하고, 파우치형 외장재인 전지 케이스의 내부에 상기 전극 조립체와 전해질을 밀봉하는 구조로 형성되는 것이 일반적이다.
그러나, 상기와 같은 파우치의 내부에 수분이 침입한 경우, 전해액이 수분과 반응하여, 플루오르화수소산 등과 같은 강산이 발생한다. 이 경우, 발생한 강산이 전극 리드를 부식시켜 절연 필름과의 박리가 발생하기 때문에 파우치의 밀봉 상태가 해제되는 문제점이 발생한다.
한국공개특허공보 제10-2013-0014371호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전극 리드의 일부 영역, 즉 전극 조립체를 내부에 수용하는 외장재의 내부에 위치하는 영역에 코팅층이 형성된 전지 셀 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하고자 한다.
일 측면에서, 본 발명은 전극 탭을 구비하는 전극 조립체; 상기 전극 탭과 연결되고, 일부 영역에 코팅층이 형성된 전극 리드; 상기 전극 리드 중 코팅층이 형성되지 않은 영역이 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 외장재; 및 상기 전극 리드 및 외장재가 접촉되는 영역에 형성되는 절연 부재를 포함하는 전지 셀 을 제공한다.
이때, 상기 코팅층은 크롬, 니켈, 철, 몰리브덴, 실리콘, 티타늄, 콜럼븀 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 코팅층은 상기 절연 부재와 접촉하는 영역에 형성되며, 상기 코팅층과 절연 부재가 접촉하는 영역의 면적은 절연 부재 전체 단면적에 대하여 10% 내지 50% 범위일 수 있으며, 상기 코팅층의 두께는 100㎛ 이하인 것이 바람직하다.
한편, 상기 전극 리드는 음극 리드 및 양극 리드 중 적어도 하나 이상일 수 있으며, 이때, 상기 음극 리드는 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 양극 리드는 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 절연 부재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리황화페닐렌, 폴리이미드, 아세테이트, 유리 직물, 폴리플루오르화비닐리덴, 플루오르화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 에폭시계 수지 및 폴리아미드계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 형성되는 것일 수 있으며, 상기 절연 부재의 두께는 10㎛ 내지 80㎛일 수 있다.
다음으로, 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드의 연결은 초음파 용접, 레이저 용접 또는 이들을 조합한 방법에 의해 수행될 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 상기와 같은 전지 셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공한다.
본 발명에 따른 전지 셀은, 전극 리드의 일부 영역에 코팅층을 형성시킴으로써, 파우치 내부에서 발생하는 강산으로 인한 전극 리드의 부식을 방지할 수 있으므로, 전지 셀의 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지 셀을 일 예를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 A에 대한 부분 확대도를 나타낸 것이다.
도 3은 도 2의 B 방향에서의 수평 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 도 3에 대한 수직 단면도를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명자들은 전지 셀의 외장재 내부로 수분이 침투하여 강산이 발생하여도 전지 셀의 밀봉이 해제되지 않는 전지 셀을 개발하기 위해 연구를 거듭한 결과, 절연 부재와 접촉하는 영역에 내부식성 코팅층이 형성된 전극 리드를 포함하는 경우, 전극 리드의 부식을 방지함으로써 전지 셀의 내구성이 획기적으로 향상되는 것을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
이해를 돕기 위하여, 도 1에는 본 발명에 따른 전지 셀을 예시적으로 도시하였다. 또한, 도 2 내지 도 4에는 본 발명에 따른 전지 셀의 일부에 대한 확대도, 수평 단면도 및 수직 단면도를 각각 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 전지 셀은, 전극 탭(40, 50)을 구비하는 전극 조립체(30); 상기 전극 탭(40, 50)과 연결되고, 일부 영역에 코팅층(100)이 형성된 전극 리드(60, 70); 상기 전극 리드(60, 70) 중 코팅층(100)이 형성되지 않은 영역이 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체(30)를 수용하는 외장재(20); 및 상기 전극 리드(60, 70) 및 외장재가 접촉되는 영역에 형성되는 절연 부재(80)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전극 조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 상기 양극, 음극 및 분리막의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 양극, 음극 및 분리막들을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 음극은 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 음극 전류 집전체에 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유코크, 활성화 카본, 그래파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들의 합금 등과 같은 음극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 양극은, 예를 들면, 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 양극 전류 집전체에 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬인산철, 또는 이들 중 1종 이상이 포함된 화합물 및 혼합물 등과 같은 양극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다.
이때, 하나의 단위 셀을 구성하는 양극과 음극에서 전극 활물질이 코팅되는 면적은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 또한, 상기 전극 활물질들은 전류 집전체의 양면에 코팅될 수도 있고, 무지부 등의 형성을 위해 전류 집전체의 일면에만 전극 활물질을 코팅할 수도 있다.
한편, 상기 분리막은, 예를 들면, 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
다음으로, 상기 전극 조립체(30)는 음극 및/또는 양극으로부터 연장된 적어도 하나 이상의 전극 탭(40, 50)을 구비할 수 있다. 이때, 상기 전극 탭은 음극 전극 탭 및/또는 양극 전극 탭을 의미하며, 동일한 극성의 전극끼리 전기적으로 연결된다. 본 발명에 있어서, 상기 전극 탭의 면적이나 배열 위치 등은 특별히 한정되지 않는다.
한편, 상기 전극 리드(60, 70)는 얇은 판상의 금속으로서, 상기 전극 탭과 연결되어 있으며, 전극 조립체(30)를 수용하는 외장재의 외부로 일부가 노출되어 있다. 여기서 상기 전극 리드(60, 70)는 양극 탭에 부착되는 양극 리드 및/또는 음극 탭에 부착되는 음극 리드를 포함한다. 이때, 상기 양극 리드 및 음극 리드는 양극 탭 및 음극 탭의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 양극 리드 및 음극 리드는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 상기 양극 리드는 양극 집전체와 동일한 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 이루어질 수 있으며, 음극 리드는 음극 집전체와 동일한 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 전극 리드(60, 70)와 전극 탭의 연결은 당해 기술 분야에 잘 알려진 방법으로 수행될 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면 초음파 용접, 레이저 용접 또는 이들을 조합한 벙법 등에 의해 수행될 수 있다.
특히, 본 발명에서 상기 전극 리드(60, 70)는 외장재 내부에서 전해액과 반응하거나 부식되지 않도록 일부 영역에 코팅층(100)이 형성된 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는, 상기 전극 리드(60, 70) 중 전극 탭(40, 50)과 연결되고, 절연 부재(80)와 접촉하는, 외장재(20) 내부에 위치하는 영역에 코팅층(100)을 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 코팅층(100)은 외장재 내부에 수분이 침투하여 전해액과 반응하게 됨으로써 플루오르화수소산 등의 강산이 발생하여도 전극 리드(60, 70)가 부식되는 것을 방지하기 위한 것으로, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 티타늄(Ti) 및 콜럼븀(Cb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 이용하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 코팅층(100)과 상기 절연 부재(80)가 접촉하는 영역의 면적은 절연 부재(80) 전체 단면적에 대하여 10% 내지 50% 범위, 바람직하게는 10% 내지 40% 범위일 수 있고, 보다 바람직하게는 10% 내지 30% 범위일 수 있다. 코팅층(100)과 상기 절연 부재(80)가 접촉하는 영역의 면적이 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 절연 부재(80)와 전극 리드(60, 70)가 직접 접촉하는 영역이 없도록 형성시킬 수 있기 때문에 외장재 내부에 수분이 침투하는 경우 발생되는 강산이 전극 리드(60, 70)를 부식시키는 것을 방지할 수 있고, 코팅층(100) 형성 물질의 사용을 최소화하면서 절연 부재(80)와 전극 리드(60, 70)가 접촉하는 외장재의 내부 영역에 코팅층(100)을 형성시킬 수 있으므로 매우 바람직하다.
또한, 상기 코팅층(100)의 두께는 100㎛이하일 수 있고, 예를 들면, 30㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하고, 30㎛ 내지 80㎛ 것이 보다 바람직하며, 30㎛ 내지 70㎛인 것이 가장 바람직하다. 코팅층(100)의 두께가 상기 수치범위를 만족하는 경우 외장재 내부에서 발생하는 강산으로 인해 전극 리드(60, 70)의 부식을 방지하면서도 전극 리드(60, 70)의 두께가 지나지게 두꺼워지는 것을 방지할 수 있으므로 바람직하다.
다음으로, 상기 코팅층(100)은 당해 기술분야에 잘 알려진 방법을 이용하여 형성될 수 있으며 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면, 전기 도금 등에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전극 리드(60, 70)의 상·하면 일부에는 외장재와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연 상태를 확보하기 위하여 외장재와 접촉하는 부위에 절연 부재(80)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 절연 부재(80)는 전기적 절연성이 높고, 열안정성이 있는 물질이면 특별히 제한 되는 것은 아니나, 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리황화페닐렌, 폴리이미드, 아세테이트, 유리 직물, 폴리플루오르화비닐리덴, 플루오르화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 에폭시계 수지 및 폴리아미드계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 형성된 절연 수지층일 수 있고, 또는 절연 테이프를 사용하여 형성할 수도 있다.
상기 절연 부재(80)의 두께는 10㎛ 내지 80㎛, 15㎛ 내지 70㎛ 또는 15㎛ 내지 60㎛일 수 있다. 절연 부재(80)의 두께가 상기 수치 범위를 만족하는 경우 외장재와의 밀봉도를 향상시키면서도 전기적 절연 상태를 효과적으로 확보할 수 있기 때문이다.
한편, 상기 외장재는, 파우치형 케이스일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 전극 조립체(30)의 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수도 있고, 외장재 자체를 변형하여 외장재의 형상을 형성하는 방식으로 형성될 수도 있다. 이때, 외장재의 형상 및 크기가 전극 조립체(30)의 형상 및 크기가 완전히 일치해야 하는 것은 아니며, 전극 조립체(30)의 밀림현상으로 인한 내부 단락을 방지할 수 있는 정도의 형상 및 크기이면 무방하다. 한편, 본 발명의 외장재의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 형상 및 크기의 외장재가 사용될 수 있다.
한편, 상기 전지 셀은 바람직하게는 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 본 발명의 전지 셀은 단독으로 사용될 수도 있고, 전지 셀을 적어도 하나 이상 포함하는 전지 팩의 형태로 사용될 수도 있다. 이러한 본 발명의 전지 셀 및/또는 전지 팩은 다양한 디바이스, 예를 들면, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등에 유용하게 사용될 수 있다. 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
20 : 전지 케이스
30 : 전극 조립체
40, 50 : 전극 탭
60, 70 : 전극 리드
80 : 절연 부재
100 : 코팅층

Claims (15)

  1. 전극 탭을 구비하는 전극 조립체;
    상기 전극 탭과 연결되고, 일부 영역에 코팅층이 형성된 전극 리드;
    상기 전극 리드 중 코팅층이 형성되지 않은 영역이 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 외장재; 및
    상기 전극 리드 및 외장재가 접촉되는 영역에 형성되는 절연 부재를 포함하며,
    상기 코팅층의 일단부는,
    상기 전극 리드의 외부 인출 방향에서 상기 절연 부재보다 상기 외부 인출 방향으로 돌출되지 않도록 상기 외부 인출 방향의 반대편인 상기 절연 부재의 일측 테두리 부분에 접촉되며,
    상기 코팅층의 타단부는,
    상기 외장재 내부에서 상기 외장재로부터 이격되어 상기 전극 조립체를 향해 돌출되는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 크롬, 니켈, 철, 몰리브덴, 실리콘, 티타늄, 콜럼븀 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금을 이용하여 형성된 것인 전지 셀.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층과 상기 절연 부재가 접촉하는 영역의 면적은 절연 부재 전체 단면적에 대하여 10% 내지 50% 범위인 전지 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는 100㎛ 이하인 전지 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 전기 도금에 의해 형성되는 것인 전지 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드는, 음극 리드 및 양극 리드 중 적어도 하나 이상인 전지 셀.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 음극 리드는 구리, 니켈, 알루미늄 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 이루어진 것인 전지 셀.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 양극 리드는 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 이루어진 것인 전지 셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 절연 부재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리황화페닐렌, 폴리이미드, 아세테이트, 유리 직물, 폴리플루오르화비닐리덴, 플루오르화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 에폭시계 수지 및 폴리아미드계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 형성된 것인 전지 셀.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 절연 부재의 두께는 10㎛ 내지 80㎛인 전지 셀.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극 탭 및 상기 전극 리드의 연결은 초음파 용접, 레이저 용접 또는 이들을 조합한 방법에 의해 수행되는 것인 전지 셀.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 스택형 또는 스택/폴딩형 구조인 전지 셀.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전지 셀은 리튬 이온 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지인 전지 셀.
  15. 제1항의 전지 셀을 하나 이상 포함하는 디바이스.
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