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WO2023059139A1 - 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지 Download PDF

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WO2023059139A1
WO2023059139A1 PCT/KR2022/015158 KR2022015158W WO2023059139A1 WO 2023059139 A1 WO2023059139 A1 WO 2023059139A1 KR 2022015158 W KR2022015158 W KR 2022015158W WO 2023059139 A1 WO2023059139 A1 WO 2023059139A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
fire extinguishing
coating layer
battery case
pouch
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2022/015158
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English (en)
French (fr)
Inventor
김성규
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LG Energy Solution Ltd
Original Assignee
LG Energy Solution Ltd
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Publication date
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Priority to JP2024517545A priority patent/JP2024534536A/ja
Priority to CN202280056510.3A priority patent/CN117837002A/zh
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    • A62D1/0007—Solid extinguishing substances
    • A62D1/0021—Microcapsules
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a pouch-type battery case and a secondary battery including the same.
  • a secondary battery means a battery that can be charged and discharged, unlike a primary battery that cannot be charged, and is widely used in electronic devices such as mobile phones, laptop computers, and camcorders, or electric vehicles.
  • the lithium secondary battery since the lithium secondary battery has a higher capacity than a nickel-cadmium battery or a nickel-hydrogen battery and has a high energy density per unit weight, the degree of its utilization is rapidly increasing.
  • a secondary battery includes an electrode assembly and a battery case accommodating the electrode assembly.
  • the electrode assembly includes a positive electrode and a negative electrode that are alternately stacked with each other with a separator interposed therebetween.
  • the positive electrode is prepared by applying the positive electrode active material slurry to a positive electrode current collector
  • the negative electrode is prepared by applying the negative electrode active material slurry to a negative electrode current collector.
  • secondary batteries are generally used by integrating a plurality of battery cells into modules or packs, there is a risk of causing a large-scale fire if a fire occurs in any one battery cell. Therefore, technology development for digestion of secondary batteries is required.
  • One problem to be solved by the present invention is to provide a pouch-type battery case capable of preventing the spread of fire using a fire extinguishing capsule and a secondary battery including the same.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a pouch-type battery case that can prevent the digestive capsule from bursting due to a simple increase in internal temperature, and a secondary battery including the same.
  • a pouch-type battery case includes a barrier layer made of a metal material; an inner polymer layer positioned inside the barrier layer and made of a first polymer material; an outer polymer layer positioned outside the barrier layer and having a second polymer material; a fire extinguishing coating layer located on one side of the barrier layer and having a plurality of capsules containing fire extinguishing agents; And it may include a protective layer located inside the fire extinguishing coating layer.
  • the fire extinguishing coating layer may be located outside the barrier layer, and the protective layer may be located between the fire extinguishing coating layer and the barrier layer.
  • the fire extinguishing coating layer may be located inside the barrier layer, and the protective layer may be located between the fire extinguishing coating layer and the inner polymer layer.
  • the capsule of the fire extinguishing coating layer may burst at a first temperature, and the protective layer may melt at a second temperature higher than the first temperature.
  • the capsule of the fire extinguishing coating layer can burst at 120 to 130 degrees Celsius, and the protective layer can melt at 150 to 250 degrees Celsius.
  • a thickness of the protective layer may be thinner than a thickness of the fire extinguishing coating layer.
  • the thickness of the protective layer may be 1/100 or less of the thickness of the fire extinguishing coating layer.
  • the capsule of the fire extinguishing coating layer may have a diameter of 50 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the fire extinguishing agent contained in the capsule of the fire extinguishing coating layer may include a fluorinated ketone (Fluoroketone).
  • a secondary battery includes an electrode assembly; and a pouch-type battery case in which the electrode assembly is accommodated.
  • the pouch-type battery case may include a barrier layer made of a metal material; an inner polymer layer positioned inside the barrier layer and made of a first polymer material; an outer polymer layer located outside the barrier layer and having a second polymer material; a fire extinguishing coating layer located on one side of the barrier layer and having a plurality of capsules containing fire extinguishing agents; And it may include a protective layer located inside the fire extinguishing coating layer.
  • the sealing portion of the pouch-type battery case may not include the fire extinguishing coating layer and the protective layer.
  • the fire extinguishing agent is contained in the capsule provided in the fire extinguishing coating layer, and the capsule can burst when the fire extinguishing coating layer reaches a certain temperature. Accordingly, it is possible to prevent a fire occurring inside or outside the secondary battery from spreading or transferring.
  • the protective layer is provided inside the fire extinguishing coating layer, so that the temperature of the fire extinguishing coating layer may be delayed by heat generation of the electrode assembly. Accordingly, it is possible to prevent the capsule of the fire extinguishing coating layer from bursting due to heat generated during normal operation such as charging and discharging of the electrode assembly.
  • FIG. 1 is an assembly view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a pouch-type battery case according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a pouch-type battery case according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an assembly view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • a secondary battery 1 includes an electrode assembly 10 formed by stacking a positive electrode, a separator, and a negative electrode, and a pouch type accommodating the electrode assembly 10.
  • a battery case 20 (hereinafter referred to as 'battery case') may be included.
  • the electrode assembly 10 may be a laminated structure having two types of electrodes, anode and cathode, and a separator interposed between the electrodes or disposed on the left or right side of either electrode to insulate the electrodes from each other.
  • the laminated structure may have various forms without limitation, such as a positive electrode and a negative electrode of a predetermined standard may be laminated with a separator interposed therebetween, or may be wound in a jelly roll form.
  • Two types of electrodes, that is, an anode and a cathode may have a structure in which an active material slurry is applied to an electrode current collector in the form of a metal foil or a metal mesh.
  • the positive electrode current collector may include an aluminum material, and the negative electrode current collector may include a copper material.
  • the active material slurry may be typically formed by stirring a granular active material, an auxiliary conductor, a binder, a plasticizer, and the like in a state in which a solvent is added, and the solvent may be removed in a subsequent process.
  • a plurality of electrode tabs 11 may be provided in the electrode assembly 10, and the electrode tabs 11 protrude to the outside of the electrode assembly 10 so that electrons can move between the inside and outside of the electrode assembly 10. can act as a pathway.
  • the electrode current collector of each electrode included in the electrode assembly 10 may include a portion coated with the electrode active material and an end portion to which the electrode active material is not coated, that is, a non-coated portion.
  • the electrode tab 11 may be formed by cutting the uncoated portion or by connecting a separate conductive member to the uncoated portion by ultrasonic welding or the like.
  • the plurality of electrode tabs 11 may include a positive electrode tab 111 connected to the positive electrode and a negative electrode tab 112 connected to the negative electrode.
  • the positive electrode tab 111 and the negative electrode tab 112 may protrude side by side in the same direction from one side of the electrode assembly 10, but may also protrude in different directions without being limited thereto.
  • a lead 12 may be connected to the electrode tab 11 of the electrode assembly 10 by spot welding or the like.
  • a portion of the lead 12 may be surrounded by an insulating portion 14 .
  • the insulating part 14 may be positioned and limited to the sealing part 24 where the upper case 21 and the lower case 22 of the battery case 20 are thermally fused, and may be adhered to the battery case 20 .
  • electricity generated from the electrode assembly 10 may be prevented from flowing to the battery case 20 through the lead 12 and the battery case 20 may be sealed. Therefore, the insulating part 14 may have a non-conductive material that does not conduct electricity well.
  • an insulating tape that is easy to attach to the lead 12 and has a relatively thin thickness is used, but is not limited thereto and various members can be used as long as the lead 12 can be insulated.
  • the lead 12 includes a positive electrode lead 121 having one end connected to the positive electrode tab 111 and extending in a direction in which the positive electrode tab 111 protrudes, and one end connected to the negative electrode tab 112 and extending in the direction in which the positive electrode tab 111 protrudes, and the negative electrode tab 112
  • a cathode lead 122 extending in the protruding direction may be included.
  • ends of the positive lead 121 and the negative lead 122 protrude outside the battery case 20 to supply electricity generated inside the electrode assembly 10 to the outside. That is, an end of the lead 12 protruding out of the battery case 20 may be electrically connected to an external terminal.
  • the positive lead 121 and the negative lead 122 may have different materials.
  • the positive lead 121 may be made of the same aluminum (Al) material as the positive current collector
  • the negative lead 122 may be made of the same copper (Cu) material as the negative current collector or a copper material coated with nickel (Ni). there is.
  • the battery case 20 is a pouch made of a flexible material, and may accommodate and seal the electrode assembly 10 so that the end of the lead 12 is exposed.
  • the battery case 20 may include an upper case 21 and a lower case 22 .
  • a cup portion 23 is formed in the lower case 22 to provide an accommodating space 231 capable of accommodating the electrode assembly 10, and the upper case 21 has the electrode assembly 10 in the battery case 20.
  • the receiving space 231 may be covered from the top so as not to escape to the outside.
  • the cup portion 23 provided with the accommodating space 231 is also formed in the upper case 21, so that the electrode assembly 10 may be accommodated at the upper portion.
  • the cup portion 23 may be formed in various ways, such as being formed only on the lower case 22 .
  • the upper case 21 and the lower case 22 may be manufactured by connecting one side to each other, but are not limited thereto and may be manufactured in various ways such as being separated from each other and separately manufactured.
  • the accommodation space provided in the cup part 23 of the lower case 22 The electrode assembly 10 is accommodated in 231, and the upper case 21 may cover the electrode assembly 10 from the top.
  • the electrolyte may be injected into the accommodation space 231 and the sealing portion 24 formed on the edges of the upper case 21 and the lower case 22 may be sealed.
  • the electrolyte solution is for moving lithium ions generated by the electrochemical reaction of the electrode during charging and discharging of the secondary battery 1, and is a non-aqueous organic electrolyte solution that is a mixture of lithium salt and high-purity organic solvents or a polymer using a polymer electrolyte. can include Through this method, the secondary battery 1 can be manufactured.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a pouch-type battery case according to an embodiment of the present invention.
  • the battery case 20 can accommodate the electrode assembly 10, and when a fire occurs in the electrode assembly 10 or a fire is transferred from the outside, it can be quickly can digest
  • the battery case 20 may include a barrier layer 201, an inner polymer layer 202, an outer polymer layer 203, a fire extinguishing coating layer 204, and a protective layer 205. there is.
  • the battery case 20 may further include an adhesive layer 206 .
  • the battery case 20 may be manufactured by drawing and molding the cup portion 23 on a pouch film. That is, the pouch film, which is the base material of the battery case 20, includes the barrier layer 201, the inner polymer layer 202, the outer polymer layer 203, the fire extinguishing coating layer 204, and the protective layer 205. It may be a lamination sheet comprising
  • the barrier layer 201 secures the mechanical strength of the battery case 20, blocks external gas or moisture from entering and exiting the secondary battery 1, and prevents leakage of electrolyte.
  • the barrier layer 20 includes a metal material, and preferably, an aluminum thin film (Al Foil) may be used. This is because aluminum can secure a mechanical strength of a predetermined level or more, yet is light in weight and can secure supplementary and heat dissipation properties for the electrochemical properties of the electrode assembly 10 and the electrolyte.
  • the barrier layer 201 includes one or more materials selected from the group consisting of iron (Fe), carbon (C), chromium (Cr), manganese (Mn), nickel (Ni), and aluminum (Al). can do.
  • the inner polymer layer 202 may include a first polymer material and may be positioned inside the barrier layer 201 .
  • the inner side may mean a side closer to the electrode assembly 10 based on the barrier layer 201 . Since the inner polymer layer 202 directly contacts the electrode assembly 10, it must have insulating properties and must have corrosion resistance because it also contacts the electrolyte. In addition, since the inner polymer layer 202 must completely seal the inside of the secondary battery 1 to block material transfer between the inside and outside, it must have high sealing properties. That is, the sealing portion 24 (see FIG. 2 ) to which the inner polymer layers 202 are adhered must have excellent thermal bonding strength.
  • the first polymer material included in the inner polymer layer 202 may be polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, an acrylic polymer, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose, aramid, or nylon. , polyester, polyparaphenylenebenzobisoxazole, polyarylate, teflon, and glass fibers may be one or more materials selected from the group consisting of.
  • the inner polymer layer 202 may include a polyolefin-based resin such as polypropylene (PP) or polyethylene (PE).
  • Polypropylene (PP) has excellent mechanical properties such as tensile strength, rigidity, surface hardness, abrasion resistance, heat resistance, and chemical properties such as corrosion resistance, and is mainly used to manufacture the inner polymer layer 202 .
  • the outer polymer layer 203 has a second polymer material and is located outside the barrier layer 201 to electrically insulate the electrode assembly 10 from the outside while protecting the secondary battery 1 from friction and collision with the outside. let it Here, the outer side may mean the opposite side of the electrode assembly 10 with respect to the barrier layer 201 .
  • the second polymer material included in the outer polymer layer 203 includes polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, acrylic polymer, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose, aramid, It may be one or more materials selected from the group consisting of nylon, polyester, polyparaphenylenebenzobisoxazole, polyarylate, Teflon, and glass fiber.
  • the outer polymer layer 203 may include a nylon resin or polyethylene terephthalate (PET) having wear resistance and heat resistance.
  • the inner polymer layer 202 and the outer polymer layer 203 may have a single film structure made of any one material or may have a composite film structure formed by forming two or more materials, respectively.
  • the fire extinguishing coating layer 204 may be located outside the barrier layer 201 .
  • the fire extinguishing coating layer 204 may be coated on the inner surface of the outer polymer layer 203 .
  • the fire extinguishing coating layer 204 may have a plurality of capsules 204a containing fire extinguishing agents.
  • a plurality of capsules 204a may be provided inside the fire extinguishing coating layer 204 .
  • the fire extinguishing coating layer 204 may contain a binder.
  • the fire extinguishing coating layer 204 may be coated on the inner surface of the outer polymer layer 203 in a liquid state in which a plurality of capsules 204a are mixed and then cured.
  • the inner surface of the outer polymer layer 203 may refer to a surface facing the inside of the secondary battery 1 , that is, a surface facing the electrode assembly 10 among both sides of the outer polymer layer 203 .
  • a surface facing the electrode assembly 10 among both sides of the outer polymer layer 203 Those skilled in the art will be able to easily understand that 'inner surface' is used in the same sense for other layers than the outer polymer layer 203 .
  • Each capsule 204a may contain an extinguishing agent.
  • the fire extinguishing agent can prevent the spread of fire occurring inside and outside the electrode assembly 10 .
  • the fire extinguishing agent is not limited and a person skilled in the art can select an appropriate material.
  • the extinguishing agent may be one or more substances selected from the group consisting of sodium bicarbonate, potassium hydrogen carbonate, and ammonium phosphate.
  • the capsule 204b may be configured to burst when a predetermined first temperature is reached, and the material of the capsule for this purpose may be appropriately selected.
  • the first temperature may be 120 to 130 degrees Celsius, and in this case, the melting point of the material constituting the capsule 204b may be 120 to 130 degrees Celsius. Therefore, when the fire extinguishing coating layer 204 reaches the first temperature due to a fire occurring inside or outside the secondary battery 1, the capsule 204b bursts and the fire extinguishing agent can flow out, and the fire spreads. can prevent
  • the capsules 204 may be microcapsules and may have a diameter of 50 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the thickness of the fire extinguishing coating layer 204 may be formed to be approximately 1 mm or less.
  • the diameter of the capsule 204 is smaller than 50 ⁇ m, manufacturing of the capsule 204 is difficult. As the amount of the fire extinguishing agent is reduced, a problem in which the fire extinguishing effect is reduced may occur.
  • the diameter of the capsule 204 is greater than 300 ⁇ m, coating of the fire extinguishing coating layer 204 may be difficult or the thickness of the fire extinguishing coating layer 204 may be excessively increased.
  • the protective layer 205 may be located inside the fire extinguishing coating layer 204 . More specifically, the protective layer 205 may be positioned between the fire extinguishing coating layer 204 and the barrier layer 201 .
  • the protective layer 205 may delay bursting of the capsule 204b of the fire extinguishing coating layer 204 by heat generated inside the secondary battery 1 .
  • the electrode assembly 10 (see FIG. 2 ) accommodated in the battery case 20 may generate heat during charging and discharging, and the protective layer 205 may generate heat during normal operation of the electrode assembly 10. It is possible to prevent the capsule 204a of the fire extinguishing coating layer 204 from bursting due to heat.
  • the protective layer 205 may be configured to melt when reaching a predetermined second temperature, and the second temperature may be higher than the first temperature at which the capsule 204b bursts.
  • the material of the protective layer 205 for this purpose may be appropriately selected.
  • the second temperature may be 150 degrees Celsius to 250 degrees Celsius, and in this case, the melting point of the material constituting the protective layer 205 may be 150 degrees Celsius to 250 degrees Celsius.
  • the first temperature at which the capsule 204b bursts may be 120 to 130 degrees Celsius.
  • the capsule 204a of the fire extinguishing coating layer 204 may not burst.
  • the fire extinguishing coating layer 204 quickly reaches the first temperature, and the capsule 204a can burst, and the fire extinguishing agent is activated to spread the fire to the electrode assembly 10. transfer can be prevented.
  • the protective layer 205 can reach the second temperature and be melted, and the capsule 204a of the fire extinguishing coating layer 204 This can burst and activate the extinguishing agent. Accordingly, it is possible to prevent fire from being transferred to the outside of the secondary battery 1 .
  • the protective layer 205 may have higher thermal insulating properties than the barrier layer 201 and the inner polymer layer 202 .
  • the thickness of the protective layer 205 may be smaller than the thickness of the fire extinguishing coating layer 204 . More specifically, the thickness of the protective layer 205 may be less than 1/100 the thickness of the fire extinguishing coating layer 204. For example, the thickness of the fire extinguishing coating layer 204 may be approximately 1 mm or less, and the thickness of the protective layer 205 may be 10 ⁇ m or less. When the thickness of the protective layer 205 is greater than 10 ⁇ m, the thickness of the battery case 20 is excessively increased, and thus the energy density of the secondary battery 1 may be lowered.
  • the protective layer 205 may be formed by UV-curing the insulating solution printed on the inner surface of the fire extinguishing coating layer 204 .
  • the protective layer 205 may be formed by printing and curing a polyethylene terephthalate (PET) solution.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the manufacturing process and material of the protective layer 205 are not limited thereto, and may vary as needed.
  • a pair of adhesive layers 206 may be provided.
  • one adhesive layer 206 may adhere the barrier layer 201 and the protective layer 205, and the other adhesive layer 206 may bond the barrier layer 201 and the inner polymer layer 202. can be glued.
  • the one adhesive layer 206 may be located between the outer surface of the barrier layer 201 and the inner surface of the protective layer 205, and the other adhesive layer 206 may be located between the inner surface of the barrier layer 201 and the inner polymer. It may be located between the outer surface of layer 202 .
  • the battery case 20 includes only a single adhesive layer 206 .
  • the adhesive layer 206 may be formed by curing an adhesive, but is not limited thereto.
  • the fire extinguishing coating layer 204 and the protective layer 205 may be included in at least a portion of the battery case 20, more specifically, at least a portion of the cup portion 23.
  • the fire extinguishing coating layer 204 and the protective layer 205 may not be included in the sealing portion 24 (see FIG. 2). This is to prevent the fire extinguishing coating layer 204 and the protective layer 205 from extinguishing a fire occurring in the electrode assembly 10 or from transferring a fire occurring outside the secondary battery 1 to the electrode assembly 10. because it is a composition.
  • the sealing part 24 does not include the fire extinguishing coating layer 204 and the protective layer 205, there is no problem in performing the fire extinguishing function, rather, for manufacturing the fire extinguishing coating layer 204 and the protective layer 205 Raw materials can be saved, and manufacturing costs can be reduced.
  • the fire extinguishing coating layer 204 and the protective layer 205 are included in the entire battery case 20, of course.
  • the manufacturing method of the battery case 20 includes the steps of coating the inner surface of the outer polymer layer 203 with the fire extinguishing coating layer 204 provided with the capsule 204a, printing an insulating solution on the inner surface of the fire extinguishing coating layer 204, and A step of forming the protective layer 205 by curing may be included.
  • a composite layer in which the outer polymer layer 203, the fire extinguishing coating layer 204, and the protective layer 205 are stacked can be prepared.
  • the manufacturing method of the battery case 20 includes the steps of adhering the protective layer 205 of the composite layer to the outer surface of the barrier layer 201 and adhering the inner polymer layer 202 to the inner surface of the barrier layer 201. can include more. At this time, an adhesive may be applied between the barrier layer 201 and the protective layer 205 and between the barrier layer 201 and the inner polymer layer 202 to form the adhesive layer 206 .
  • the pouch film which is the base material of the battery case 20
  • the battery case 20 can be manufactured by molding the cup part 23 (see FIG. 1) on the pouch film.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a battery case according to another embodiment of the present invention.
  • the fire extinguishing coating layer 204 may be located inside the barrier layer 201. More specifically, the fire extinguishing coating layer 204 may be coated on the inner surface of the barrier layer 201 .
  • the fire extinguishing coating layer 204 may contain a binder.
  • the fire extinguishing coating layer 204 may be coated on the inner surface of the barrier layer 201 in a liquid state in which a plurality of capsules 204a are mixed and then cured. Therefore, an adhesive layer may not be provided between the barrier layer 201 and the fire extinguishing coating layer 204.
  • the protective layer 205 may be located inside the fire extinguishing coating layer 204 . More specifically, the protective layer 205 may be positioned between the fire extinguishing coating layer 204 and the inner polymer layer 202 .
  • a pair of adhesive layers 206 may be provided.
  • one adhesive layer 206 may adhere the barrier layer 201 and the outer polymer layer 203, and the other adhesive layer 206 may bond the protective layer 205 and the inner polymer layer 202. can be bonded.
  • the one adhesive layer 206 may be located between the outer surface of the barrier layer 201 and the inner surface of the outer polymer layer 203, and the other adhesive layer 206 may be located between the inner surface and the inner surface of the protective layer 205. It may be located between the outer surface of the polymer layer 202 .
  • the battery case 20 includes only a single adhesive layer 206 .
  • the manufacturing method of the battery case 20' includes the steps of coating the fire extinguishing coating layer 204 equipped with the capsule 204a on the inner surface of the barrier layer 201, printing an insulating solution on the inner surface of the fire extinguishing coating layer 204, and A step of forming the protective layer 205 by curing may be included.
  • a composite layer in which the barrier layer 201, the fire extinguishing coating layer 204 and the protective layer 205 are laminated can be prepared.
  • the protective layer 205 of the composite layer is adhered to the outer surface of the inner polymer layer 202, and the outer polymer layer 203 is attached to the outer surface of the barrier layer 201 of the composite layer. ) may be further included.
  • an adhesive may be applied between the inner polymer layer 202 and the protective layer 205 and between the barrier layer 201 and the outer polymer layer 203 to form the adhesive layer 206 .
  • the pouch film which is the base material of the battery case 20'
  • the battery case 20' can be manufactured by molding the cup portion 23 (see FIG. 1) on the pouch film.
  • sealing part 201 barrier layer
  • digestive coating layer 204a capsule

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 파우치형 전지 케이스는, 금속 재질을 갖는 배리어층; 상기 배리어층의 내측에 위치하며 제1폴리머 재질을 갖는 이너 폴리머층; 상기 배리어층의 외측에 위치하며 제2폴리머 재질을 갖는 아우터 폴리머층; 상기 배리어층의 일측에 위치하고 소화약제가 담긴 다수의 캡슐을 갖는 소화 코팅층; 및 상기 소화 코팅층보다 내측에 위치한 보호층을 포함할 수 있다.

Description

파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2021년 10월 08일자 한국특허출원 제10-2021-0134413호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 큰 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이차 전지는, 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스를 포함한다. 그리고, 상기 전극 조립체는, 분리막을 사이에 두고 서로 번갈아 적층된 양극 및 음극을 포함한다. 구체적으로, 상기 양극은 양극 활물질 슬러리를 양극 집전체에 도포하여 제조되고, 상기 음극은 음극 활물질 슬러리를 음극 집전체에 도포하여 제조된다.
한편, 이차 전지가 고온에 노출되거나 내부 단락, 외부 단락, 과충전 또는 과방전 등 비정상적으로 작동되는 경우, 유기 전해질이 분해됨에 따라 발생하는 열에 의해 분리막이 수축하면서 양극과 음극이 서로 직접 접촉하여 단락(쇼트, Short)이 발생할 가능성이 높아진다. 이러한 단락으로 인해 전지 내부에 급격한 전자 이동이 발생하면 이차 전지가 폭발하고 화재가 발생하여 안전성에 문제가 있었다. 특히, 과충전, 과방전, 외부 단락 등 전기적인 오작동 발생 시, 높은 전류가 흐르고 집전체의 열전도율이 낮기 때문에 집전체의 온도가 활물질 층보다 높은 열이 발생한다. 따라서 이러한 열이 확산되면 금속산화물을 포함하는 양극 활물질이 분해 및 재결정화되고, 산소를 포함하는 인화성 가스가 발생함에 따라, 더 큰 폭발로 이어질 수 있었다.
특히, 이차 전지는 다수의 전지 셀이 모듈이나 팩으로 집약되어 사용되는 것이 일반적이므로, 어느 하나의 전지 셀에서 화재가 발생할 경우 대형 화재로 이어질 위험이 있다. 따라서, 이차 전지의 소화를 위한 기술개발이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 소화 캡슐을 사용하여 화재의 확산을 방지할 수 있는 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 단순한 내부 온도 상승에 의해 소화 캡슐이 터지는 것을 방지할 수 있는 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 파우치형 전지 케이스는, 금속 재질을 갖는 배리어층; 상기 배리어층의 내측에 위치하며 제1폴리머 재질을 갖는 이너 폴리머층; 상기 배리어층의 외측에 위치하며 제2폴리머 재질을 갖는 아우터 폴리머층; 상기 배리어층의 일측에 위치하고 소화약제가 담긴 다수의 캡슐을 갖는 소화 코팅층; 및 상기 소화 코팅층보다 내측에 위치한 보호층을 포함할 수 있다.
상기 소화 코팅층은 상기 배리어층의 외측에 위치하고, 상기 보호층은 상기 소화 코팅층과 상기 배리어층의 사이에 위치할 수 있다.
상기 소화 코팅층은 상기 배리어층의 내측에 위치하고, 상기 보호층은 상기 소화 코팅층과 상기 이너 폴리머층의 사이에 위치할 수 있다.
상기 소화 코팅층의 상기 캡슐은 제1온도에서 터지고, 상기 보호층은 상기 제1온도보다 높은 제2온도에서 용융될 수 있다.
상기 소화 코팅층의 상기 캡슐은 섭씨 120도 내지 130도에서 터지고, 상기 보호층은 150도 내지 250도에서 용융될 수 있다.
상기 보호층의 두께는, 상기 소화 코팅층의 두께보다 얇을 수 있다.
상기 보호층의 두께는, 상기 소화 코팅층의 두께의 1/100 이하일 수 있다.
상기 소화 코팅층의 상기 캡슐은 50 ㎛ 내지 300 ㎛ 의 직경을 가질 수 있다.
상기 소화 코팅층의 상기 캡슐에 담긴 소화 약제는, 플루오르화 케톤(Fluoroketone)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는, 전극조립체; 및 상기 전극 조립체가 수용되는 파우치형 전지케이스를 포함할 수 있다. 상기 파우치형 전지 케이스의 적어도 일부는, 금속 재질을 갖는 배리어층; 상기 배리어층의 내측에 위치하며 제1폴리머 재질을 갖는 이너 폴리머층; 상기 배리어층의 외측에 위치하며 제2폴리머 재질을 갖는 아우터 폴리머층; 상기 배리어층의 일측에 위치하고 소화약제가 담긴 다수의 캡슐을 갖는 소화 코팅층; 및 상기 소화 코팅층보다 내측에 위치한 보호층을 포함할 수 있다.
상기 파우치형 전지 케이스의 실링부에는 상기 소화 코팅층 및 보호층이 미포함될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 소화 코팅층에 구비된 캡슐에 소화 약제가 담겨 있으며, 소화 코팅층이 특정 온도에 도달하면 상기 캡슐이 터질 수 있다. 이로써, 이차 전지의 내부 또는 외부에서 발생한 화재가 확산되거나 전이되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 보호층은 소화 코팅층보다 내측에 구비되어, 전극 조립체의 발열에 의해 소화 코팅층의 온도가 상승하는 것을 지연시킬 수 있다. 이로써, 전극 조립체의 충방전 등과 같이 정상적이 작동시에 발생하는 열에 의해 소화 코팅층의 캡슐이 터지는 것을 방지할 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성들로부터 당업자가 용이하게 예측 가능한 효과들을 포함할 수 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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 조립도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지 케이스의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 전지 케이스의 단면도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 조립도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 양극, 분리막, 음극이 적층되어 형성되는 전극 조립체(10) 및 상기 전극 조립체(10)를 수납하는 파우치 형 전지 케이스(20)(이하, '전지 케이스')를 포함할 수 있다.
전극 조립체(10)는 양극 및 음극 두 종류의 전극과, 전극들을 상호 절연시키기 위해 전극들 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극의 좌측 또는 우측에 배치되는 분리막을 구비한 적층 구조체일 수 있다. 상기 적층 구조체는 소정 규격의 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층될 수도 있고, 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 권취될 수 있는 등 제한되지 않고 다양한 형태일 수 있다. 두 종류의 전극, 즉 양극과 음극은 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 전극 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조일 수 있다. 양극의 전극 집전체는 알루미늄 재질을 포함할 수 있고, 음극의 전극 집전체는 구리 재질을 포함할 수 있다. 활물질 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조 도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있으며, 상기 용매는 후속 공정에서 제거될 수 있다.
전극 조립체(10)에는 복수개의 전극 탭(11)이 구비될 수 있으며, 전극 탭(11)은 전극 조립체(10)의 외부로 돌출되어 전극 조립체(10)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로로 작용할 수 있다.
좀 더 상세히, 전극 조립체(10)에 포함된 각 전극의 전극 집전체는 전극 활물질이 도포된 부분과 전극 활물질이 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부를 포함할 수 있다. 그리고 전극 탭(11)은 상기 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다.
복수개의 전극 탭(11)은 양극에 연결된 양극 탭(111)과, 음극에 연결된 음극 탭(112)을 포함할 수 있다. 양극 탭(111) 및 음극 탭(112)은 전극 조립체(10)의 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에는 리드(Lead)(12)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결될 수 있다. 그리고, 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위될 수 있다. 상기 절연부(14)는 전지 케이스(20)의 상부 케이스(21)와 하부 케이스(22)가 열 융착되는 실링부(24)에 한정되어 위치하여, 전지 케이스(20)에 접착될 수 있다. 그리고, 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 리드(12)를 통해 전지 케이스(20)로 흐르는 것을 방지하며 전지 케이스(20)의 실링을 유지할 수 있다. 따라서, 상기 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체 재질을 가질 수 있다. 일반적으로 절연부(14)로는, 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 사용하나, 이에 제한되지 않고 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
리드(12)는, 양극 탭(111)에 일단이 연결되고 양극 탭(111)이 돌출된 방향으로 연장되는 양극 리드(121)와, 음극 탭(112)에 일단이 연결되고 음극 탭(112)이 돌출된 방향으로 연장되는 음극 리드(122)를 포함할 수 있다. 또한, 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)의 단부는 전지 케이스(20)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(10)의 내부에서 생성된 전기를 외부로 공급할 수 있다. 즉, 전지 케이스(20)의 외부로 돌출된 리드(12)의 단부는, 외부 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.
양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 좀 더 상세히, 양극 리드(121)는 양극 집전체와 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극 집전체와 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다.
한편, 전지 케이스(20)는 연성의 재질로 제조된 파우치이며, 리드(12)의 단부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링될 수 있다. 전지 케이스(20)는 상부 케이스(21) 및 하부 케이스(22)를 포함할 수 있다. 하부 케이스(22)에는 컵부(23)가 형성되어 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간(231)이 마련되고, 상부 케이스(21)는 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(20)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 수용 공간(231)을 상부에서 커버할 수 있다. 이 때, 상부 케이스(21)에도 수용 공간(231)이 마련된 컵부(23)가 형성되어, 전극 조립체(10)를 상부에서 수용할 수도 있다. 다만 이에 제한되지 않고, 컵부(23)가 하부 케이스(22)에만 형성될 수 있는 등 다양하게 형성될 수 있다. 또한, 상부 케이스(21)와 하부 케이스(22)는 일측이 서로 연결되어 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로 분리되어 별도로 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 리드(12)가 연결되고, 리드(12)의 일부분에 절연부(14)가 배치되면, 하부 케이스(22)의 컵부(23)에 마련된 수용 공간(231)에 전극 조립체(10)가 수용되고, 상부 케이스(21)가 전극 조립체(10)를 상부에서 커버할 수 있다. 그리고, 수용 공간(231)의 내부에 전해액을 주입하고 상부 케이스(21)와 하부 케이스(22)의 테두리에 형성된 실링부(24)를 실링할 수 있다. 전해액은 이차 전지(1)의 충, 방전 시 전극의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것으로, 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머를 포함할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해, 이차 전지(1)가 제조될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지 케이스의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(20)는, 앞서 설명한 바와 같이 전극 조립체(10)를 수용할 수 있으며, 전극 조립체(10)에서 화재가 발생하거나 외부로부터 화재가 옮겨붙은 경우에 이를 신속히 소화할 수 있다.
좀 더 상세히, 상기 전지 케이스(20)는 배리어층(201)과, 이너 폴리머층(202)과, 아우터 폴리머층(203)과, 소화 코팅층(204)과, 보호층(205)을 포함할 수 있다. 상기 전지 케이스(20)는 접착층(206)을 더 포함할 수 있다.
전지 케이스(20)는 파우치 필름에 컵부(23)를 드로잉(Drawing) 성형하여 제조될 수 있다. 즉, 전지 케이스(20)의 모재인 파우치 필름은, 배리어층(201)과, 이너 폴리머층(202)과, 아우터 폴리머층(203)과, 소화 코팅층(204)과, 보호층(205)을 포함하는 라미네이션 시트일 수 있다.
배리어층(201)은 전지 케이스(20)의 기계적 강도를 확보하고, 이차 전지(1) 외부의 가스 또는 수분 등의 출입을 차단하며 전해액의 누수를 방지한다. 배리어층(20)은 금속 재질을 포함하며, 바람직하게는 알루미늄 박막(Al Foil)이 사용될 수있다. 알루미늄은 소정 수준 이상의 기계적 강도를 확보할 수 있으면서도 무게가 가볍고 전극 조립체(10)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 확보할 수 있기 때문이다.
다만, 이에 제한되지 않고 다양한 재질이 배리어층(201)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 배리어층(201)은 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 재질을 포함할 수 있다.
이너 폴리머층(202)은 제1 폴리머 재질을 포함할 수 있으며, 배리어층(201)의 내측에 위치할 수 있다. 여기서 내측이란, 배리어층(201)을 기준으로 전극 조립체(10)와 가까운 쪽을 의미할 수 있다. 이너 폴리머층(202)은 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가져야 하며, 전해액과도 접촉하므로 내식성을 가져야 한다. 또한, 이너 폴리머층(202)은 이차 전지(1)의 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 이너 폴리머층(202)끼리 접착된 실링부(24)(도 2 참조)는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다.
이너 폴리머층(202)에 포함된 제1 폴리머 재질은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다. 바람직하게는, 이너 폴리머층(202)은 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있다. 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어나, 이너 폴리머층(202)을 제조하는데 주로 사용된다.
아우터 폴리머층(203)은 제2폴리머 재질을 가지며, 배리어층(201)의 외측에 위치하여 외부와의 마찰 및 충돌로부터 이차 전지(1)를 보호하면서 전극 조립체(10)를 외부로부터 전기적으로 절연시킨다. 여기서 외측이란, 배리어층(201)을 기준으로 전극 조립체(10)의 반대측을 의미할 수 있다.
이러한 아우터 폴리머층(203)에 포함된 제2 폴리머 재질은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다. 바람직하게는, 아우터 폴리머층(203)은 내마모성 및 내열성을 가지는 나일론(Nylon) 수지 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 포함할 수 있다.
그리고 이너 폴리머층(202) 및 아우터 폴리머층(203)은, 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 가지거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수도 있다.
한편, 본 실시예의 경우, 소화 코팅층(204)은 배리어층(201)의 외측에 위치할 수 있다. 좀 더 상세히, 소화 코팅층(204)은 아우터 폴리머층(203)의 내면에 코팅될 수 있다.
소화 코팅층(204)은 소화약제가 담긴 복수개의 캡슐(204a)을 가질 수 있다. 좀 더 상세히, 복수개의 캡슐(204a)은 소화 코팅층(204)의 내부에 구비될 수 있다.
아우터 폴리머층(203)의 내면에 용이하게 코팅되기 위해, 소화 코팅층(204)에는 바인더가 함유될 수 있다. 소화 코팅층(204)은 복수개의 캡슐(204a)이 혼합된 액상 상태로 아우터 폴리머층(203)의 내면에 코팅된 후 경화될 수 있다.
아우터 폴리머층(203)의 내면은, 아우터 폴리머층(203)의 양면 중 이차 전지(1)의 내부, 즉 전극 조립체(10)를 향하는 면을 의미할 수 있다. 당업자는 아우터 폴리머층(203) 이외의 다른 층에 대해서도 '내면'이 동일한 의미로 사용됨을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
각 캡슐(204a)에는 소화 약제가 담길 수 있다. 고열에 의해 캡슐(204b)이 터지면, 상기 소화 약제는 전극조립체(10) 내부 및 외부에서 발생한 화재의 확산을 방지할 수 있다.
상기 소화 약제로 사용되는 물질은 제한되지 않으며 당업자는 적절한 물질을 선택할 수 있다. 일 예로, 상기 소화 약제는 플루오르화 케톤(Fluoroketone)일 수 있고, 좀 더 상세히는 CF3CF2C(=O)CF(CF3)2 의 화학 구조를 갖는 플루오르화 케톤일 수 있다. 다른 예로, 상기 소화 약제는 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 인산암모늄으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질일 수도 있다.
캡슐(204b)은 기설정된 제1온도에 도달하면 터지도록 구성될 수 있으며, 이를 위한 캡슐의 재질은 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1온도는 섭씨 120도 내지 130도일 수 있고, 이 경우 캡슐(204b)을 이루는 재질의 용융점은 섭씨 120도 내지 130도일 수 있다. 따라서, 이차 전지(1)의 내부 또는 외부에서 발생한 화재에 의해 소화 코팅층(204)이 상기 제1온도에 도달하면, 캡슐(204b)이 터지며 소화 약제가 외부로 유출될 수 있고, 상기 화재의 확산을 막을 수 있다.
캡슐(204)은 마이크로 캡슐일 수 있으며, 50 ㎛ 내지 300 ㎛ 의 직경을 가질 수 있다. 또한, 전지 케이스(20)의 전체 두께가 지나치게 증가하는 것을 방지하기 위해, 소화 코팅층(204)의 두께는 대략 1 mm 내외로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 캡슐(204)의 직경이 50 ㎛ 보다 작으면 캡슐(204)의 제조가 어렵고. 소화 약제의 양이 줄어들게 되어 소화 효과가 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 캡슐(204)의 직경이 300 ㎛ 보다 크면, 소화 코팅층(204)의 코팅이 어려워지거나 소화 코팅층(204)의 두께가 지나치게 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.
보호층(205)은 소화 코팅층(204)보다 내측에 위치할 수 있다. 좀 더 상세히, 보호층(205)은 소화 코팅층(204)과 배리어층(201)의 사이에 위치할 수 있다.
보호층(205)은 이차 전지(1)의 내부에서 발생한 열에 의해 소화 코팅층(204)의 캡슐(204b)이 터지는 것을 지연시킬 수 있다. 좀 더 상세히, 전지 케이스(20)에 수용된 전극 조립체(10)(도 2 참조)에서는 충전 및 방전 시에 열이 발생할 수 있으며, 보호층(205)은 전극 조립체(10)의 정상적인 작동 시 발생하는 열에 의해 소화 코팅층(204)의 캡슐(204a)이 터지는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 보호층(205)은 기설정된 제2온도에 도달하면 용융되도록 구성될 수 있으며, 상기 제2온도는 캡슐(204b)이 터지는 제1온도보다 높을 수 있다. 이를 위한 보호층(205)의 재질은 적절히 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2온도는 섭씨 150도 내지 250도일 수 있고, 이 경우 보호층(205)을 이루는 재질의 용융점은 섭씨 150도 내지 250도일 수 있다. 그리고 앞서 설명한 바와 같이, 캡슐(204b)이 터지는 제1온도는 섭씨 120도 내지 130도일 수 있다.
따라서, 이차 전지(1)의 내부의 단순 온도 상승에 의해 보호층(205)이 상기 제1온도에 도달하더라도, 소화 코팅층(204)의 캡슐(204a)은 터지지 않을 수 있다.
반면, 이차 전지(1)의 외부에서 화재가 발생하면 소화 코팅층(204)은 상기 제1온도에 빠르게 도달하여 캡슐(204a)이 터질 수 있고, 소화 약제가 활성화되어 화재가 전극 조립체(10)로 전이되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이차 전지(1)의 내부, 즉 전극 조립체(10)에서 화재가 발생하면, 보호층(205)이 상기 제2온도에 도달하여 용융될 수 있고, 소화 코팅층(204)의 캡슐(204a)이 터져 소화 약제가 활성화될 수 있다. 이로써 화재가 이차 전지(1)의 외부로 전이되는 것을 방지할 수 있다.
보호층(205)는 배리어층(201) 및 이너 폴리머층(202)보다 높은 단열성을 가질 수 있다.
보호층(205)의 두께는, 소화 코팅층(204)의 두께보다 얇을 수 있다. 좀 더 상세히, 보호층(205)의 두께는 소화 코팅층(204)의 두께의 1/100 이하일 수 있다. 예를 들어, 소화 코팅층(204)의 두께는 대략 1 mm 내외이고, 보호층(205)의 두께는 10 ㎛ 이하일 수 있다. 보호층(205)의 두께가 10 ㎛ 보다 크면, 전지 케이스(20)의 두께가 지나치게 증가하여 이차 전지(1)의 에너지 밀도가 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다.
보호층(205)은 소화 코팅층(204)의 내면에 인쇄된 절연 용액이 자외선 경화되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호층(205)은 PET(Polyethylene Terephthalate) 용액이 인쇄 및 경화되어 형성될 수 있다. 다만, 보호층(205)의 제조 공정 및 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 달라질 수 있다.
한편, 접착층(206)은 한 쌍이 구비될 수 있다. 한 쌍의 접착층(206) 중 일 접착층(206)은 배리어층(201)과 보호층(205)을 접착시킬 수 있고, 타 접착층(206)은 배리어층(201)과 이너 폴리머층(202)을 접착시킬 수 있다. 좀 더 상세히, 상기 일 접착층(206)은 배리어층(201)의 외면과 보호층(205)의 내면 사이에 위치할 수 있고, 상기 타 접착층(206)은 배리어층(201)의 내면과 이너 폴리머층(202)의 외면 사이에 위치할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 케이스(20)가 단일의 접착층(206)만을 포함하는 것도 가능함은 물론이다.
접착층(206)은 접착제가 경화되어 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 소화 코팅층(204) 및 보호층(205)은, 전지 케이스(20)의 적어도 일부, 좀 더 상세히는 컵부(23) 중 적어도 일부에 포함될 수 있다. 그리고, 소화 코팅층(204) 및 보호층(205)은 실링부(24)(도 2 참조)에는 미포함될 수 있다. 이는, 소화 코팅층(204) 및 보호층(205)이 전극 조립체(10)에서 발생된 화재를 소화시키거나 이차 전지(1)의 외부에서 발생한 화재가 전극 조립체(10)로 전이되는 것을 방지하기 위한 구성이기 때문이다. 따라서, 실링부(24)에 소화 코팅층(204) 및 보호층(205)이 비포함되더라도, 소화 기능을 수행하는데에 문제가 없으며, 오히려 소화 코팅층(204) 및 보호층(205)을 제조하기 위한 원료를 아낄 수 있어 제조 비용이 절감될 수 있다.
다만, 전지 케이스(20)의 제조 용이성을 위해, 전지 케이스(20) 전체에 소화 코팅층(204) 및 보호층(205)이 포함되는 것도 가능함은 물론이다.
이하, 본 실시예에 따른 전지 케이스(20)의 제조 방법에 대해 간단히 설명한다.
전지 케이스(20)의 제조 방법은, 캡슐(204a)이 구비된 소화 코팅층(204)을 아우터 폴리머층(203)의 내면에 코팅하는 단계와, 소화 코팅층(204)의 내면에 절연 용액을 인쇄 및 경화하여 보호층(205)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이로써, 아우터 폴리머층(203), 소화 코팅층(204) 및 보호층(205)이 적층된 복합층이 준비될 수 있다.
전지 케이스(20)의 제조 방법은, 배리어층(201)의 외면에 상기 복합층의 보호층(205)을 접착하고, 배리어층(201)의 내면에 이너 폴리머층(202)을 접착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 배리어층(201)과 보호층(205)의 사이, 그리고 배리어층(201)과 이너 폴리머층(202)의 사이에는 접착제가 도포되어 접착층(206)이 형성될 수 있다.
이로써, 전지 케이스(20)의 모재인 파우치 필름이 준비될 수 있고, 상기 파우치 필름에 컵부(23)(도 1 참조)를 성형하여 전지 케이스(20)가 제조될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스의 단면도이다.
이하, 앞서 설명한 일 실시예와 중복되는 내용은 원용하고 차이점을 중심으로 설명한다.
본 실시예에 따른 전지 케이스(20')는, 소화 코팅층(204)이 배리어층(201)의 내측에 위치할 수 있다. 좀 더 상세히, 소화 코팅층(204)은 배리어층(201)의 내면에 코팅될 수 있다.
배리어층(201)의 내면에 용이하게 코팅되기 위해, 소화 코팅층(204)에는 바인더가 함유될 수 있다. 소화 코팅층(204)은 복수개의 캡슐(204a)이 혼합된 액상 상태로 배리어층(201)의 내면에 코팅된 후 경화될 수 있다. 따라서, 배리어층(201)과 소화 코팅층(204)의 사이에는 접착층이 미구비될 수 있다.
보호층(205)은 소화 코팅층(204)보다 내측에 위치할 수 있다. 좀 더 상세히, 보호층(205)은 소화 코팅층(204)과 이너 폴리머층(202)의 사이에 위치할 수 있다.
한편, 접착층(206)은 한 쌍이 구비될 수 있다. 한 쌍의 접착층(206) 중 일 접착층(206)은 배리어층(201)과 아우터 폴리머층(203)을 접착시킬 수 있고, 타 접착층(206)은 보호층(205)과 이너 폴리머층(202)을 접착시킬 수 있다. 좀 더 상세히, 상기 일 접착층(206)은 배리어층(201)의 외면과 아우터 폴리머층(203)의 내면 사이에 위치할 수 있고, 상기 타 접착층(206)은 보호층(205)의 내면과 이너 폴리머층(202)의 외면 사이에 위치할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 전지 케이스(20)가 단일의 접착층(206)만을 포함하는 것도 가능함은 물론이다.
이하, 본 실시예에 따른 전지 케이스(20')의 제조 방법에 대해 간단히 설명한다.
전지 케이스(20')의 제조 방법은, 캡슐(204a)이 구비된 소화 코팅층(204)을 배리어층(201)의 내면에 코팅하는 단계와, 소화 코팅층(204)의 내면에 절연 용액을 인쇄 및 경화하여 보호층(205)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이로써, 배리어층(201), 소화 코팅층(204) 및 보호층(205)이 적층된 복합층이 준비될 수 있다.
전지 케이스(20')의 제조 방법은, 이너 폴리머층(202)의 외면에 상기 복합층의 보호층(205)을 접착하고, 상기 복합층의 배리어층(201)의 외면에 아우터 폴리머층(203)을 접착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 이너 폴리머층(202)과 보호층(205)의 사이, 그리고 배리어층(201)과 아우터 폴리머층(203)의 사이에는 접착제가 도포되어 접착층(206)이 형성될 수 있다.
이로써, 전지 케이스(20')의 모재인 파우치 필름이 준비될 수 있고, 상기 파우치 필름에 컵부(23)(도 1 참조)를 성형하여 전지 케이스(20')가 제조될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[부호의 설명]
1: 이차 전지 10: 전극 조립체
20: 파우치형 전지 케이스 23: 컵부
24: 실링부 201: 배리어층
202: 이너 폴리머층 203: 아우터 폴리머층
204: 소화 코팅층 204a: 캡슐
205: 보호층 206: 접착층

Claims (11)

  1. 금속 재질을 갖는 배리어층;
    상기 배리어층의 내측에 위치하며 제1폴리머 재질을 갖는 이너 폴리머층;
    상기 배리어층의 외측에 위치하며 제2폴리머 재질을 갖는 아우터 폴리머층;
    상기 배리어층의 일측에 위치하고 소화약제가 담긴 다수의 캡슐을 갖는 소화 코팅층; 및
    상기 소화 코팅층보다 내측에 위치한 보호층을 포함하는 파우치형 전지 케이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화 코팅층은 상기 배리어층의 외측에 위치하고,
    상기 보호층은 상기 소화 코팅층과 상기 배리어층의 사이에 위치한 파우치형 전지 케이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화 코팅층은 상기 배리어층의 내측에 위치하고,
    상기 보호층은 상기 소화 코팅층과 상기 이너 폴리머층의 사이에 위치한 파우치형 전지 케이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화 코팅층의 상기 캡슐은 제1온도에서 터지고,
    상기 보호층은 상기 제1온도보다 높은 제2온도에서 용융되는 파우치형 전지 케이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화 코팅층의 상기 캡슐은 섭씨 120도 내지 130도에서 터지고,
    상기 보호층은 150도 내지 250도에서 용융되는 파우치형 전지 케이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층의 두께는, 상기 소화 코팅층의 두께보다 얇은 파우치형 전지 케이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층의 두께는, 상기 소화 코팅층의 두께의 1/100 이하인 파우치형 전지 케이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화 코팅층의 상기 캡슐은 50 ㎛ 내지 300 ㎛ 의 직경을 갖는 파우치형 전지 케이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화 코팅층의 상기 캡슐에 담긴 소화 약제는, 플루오르화 케톤(Fluoroketone)을 포함하는 파우치형 전지 케이스.
  10. 전극조립체; 및
    상기 전극 조립체가 수용되는 파우치형 전지케이스를 포함하고,
    상기 파우치형 전지 케이스의 적어도 일부는,
    금속 재질을 갖는 배리어층;
    상기 배리어층의 내측에 위치하며 제1폴리머 재질을 갖는 이너 폴리머층;
    상기 배리어층의 외측에 위치하며 제2폴리머 재질을 갖는 아우터 폴리머층;
    상기 배리어층의 일측에 위치하고 소화약제가 담긴 다수의 캡슐을 갖는 소화 코팅층; 및
    상기 소화 코팅층보다 내측에 위치한 보호층을 포함하는 이차 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 파우치형 전지 케이스의 실링부에는 상기 소화 코팅층 및 보호층이 미포함된 이차 전지.
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