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KR20180090100A - 과충전시 안전성 확보를 위한 단락 구조물 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지 - Google Patents

과충전시 안전성 확보를 위한 단락 구조물 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지 Download PDF

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KR20180090100A
KR20180090100A KR1020170015098A KR20170015098A KR20180090100A KR 20180090100 A KR20180090100 A KR 20180090100A KR 1020170015098 A KR1020170015098 A KR 1020170015098A KR 20170015098 A KR20170015098 A KR 20170015098A KR 20180090100 A KR20180090100 A KR 20180090100A
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electrode
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electrode tab
circuit structure
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박종필
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 파우치형 전지셀의 비정상 상태에서 발생한 가스로 인한 스웰링 등의 부피 팽창 또는 과충전에 따른 전지 안전성을 유지하기 위하여 기계적으로 전극탭 및/또는 전극리드를 단락시키는 전극 단락 구조물을 제공하기 위한 안전성 확보를 위한 단락 구조물 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것에 관한 것으로 과충전뿐만 아니라 비정상 상태에서 발생하여 더 이상 파우치형 이차전지에 전류가 흐르는 것을 막을 수 있는 효과 및 파우치형 이차전지에 추가로 복잡한 장치를 진행할 경우, 에너지 밀도가 낮아지는 것을 배제할 수 있는 효과가 있다.

Description

과충전시 안전성 확보를 위한 단락 구조물 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지 {Short circuiting Structure for Lithium Secondary Battery Having Excellent Stability against Overcharge and Pouch Type Lithium Secondary Battery Comprising the Same}
본 발명은 과충전시 안전성 확보를 위한 단락 구조물 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것으로 보다 상세하게는, 본 발명은 파우치형 전지셀의 비정상 상태에서 발생한 가스로 인한 스웰링 등의 부피 팽창 또는 과충전에 따른 전지 안전성을 유지하기 위하여 기계적으로 전극탭 및/또는 전극리드를 단락시키는 전극 단락 구조물을 제공하기 위한 안전성 확보를 위한 단락 구조물 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품 뿐 만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 양극의 리튬 금속 산화물로부터 리튬 이온이 음극의 흑연 전극으로 삽입(intercalation)되고 탈리(deintercalation)되는 과정을 반복하면서 충방전이 진행된다.
이러한 이차전지는 외부 충격에 의한 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의한 발열과 이로 인한 전해질 분해, 열폭주 현상 등 이차전지의 안전성을 위협하는 여러 가지 문제가 있다. 특히, 이차전지의 폭발은 여러 가지 원인에서 비롯되지만 전해질 분해에 따라 이차전지 내부의 기체 압력 증가도 하나의 원인이 된다. 구체적으로, 이차전지를 반복적으로 충·방전하면 전해질과 전극활물질에 의한 전기화학적 반응으로 기체가 발생하게 된다. 이때, 발생한 기체는 이차전지의 내부 압력을 상승시켜 부품간의 체결약화, 이차전지의 외부 케이스 파손, 보호회로의 조기 작동, 전극의 변형, 내부 단락, 폭발 등의 문제를 일으킨다.
이러한 배터리의 경우 과충전 상황시 배터리의 안전성을 위해 전자부품의 제어를 통해 과전류를 차단하여 과충전 상황을 억제한다. 이러한 방식이 배터리에 적용된 방식으로서 PCM(Protection Circuit Module) 등과 같은 보호회로 등을 예로 들수 있다. 하지만, PCM과 같은 과충전 보호회로가 적용되었다 하더라도 안전성이 충분히 담보되기 힘들고, 특히 파우치 타입 배터리에서는 파우치 셀의 스웰링을 보다 정확하게 파악하기 위해 보다 강화된 보호회로구조가 적용될 필요가 있다는 단점이 있었다.
또한, 전자부품의 오작동 상황을 고려하여 과충전시 배터리가 열팽창하며 발생하는 압력을 이용해 배터리의 직렬연결을 물리적으로 차단하는 기구적 전류 차단 장치를 적용하고 있다. 일반적으로 배터리팩의 전류 차단 장치는 과충전 상황에서 발생하는 배터리의 팽창 압력만을 이용하여 배터리팩 기구물을 통해 배터리팩의 직렬 연결을 물리적으로 끊어 전류를 차단하는 방법이 폭넓게 사용되고 있다. 그러나, 파우치형 전지의 부피 팽창을 매개로 전류를 끊을 수 있는 단락구조물을 제시된 바 없다.
한국 공개특허공보 제2016-0129763호(2016.11.09)에서는 순차적으로 적층되어 있는 양극판, 세퍼레이터 및 음극판; 상기 양극판 및 음극판 각각의 일측에서 소정 길이로 연장 형성되어 있는 전극 탭; 및 상기 전극탭과 전기적으로 연결되어 있는 전극 리드를 포함하고, 정상적인 작동 조건하에서 상기 전극 탭과 전극 리드간에는 적어도 일부 영역이 용접되어 있는 용접부가 형성되어 있으며, 비정상적인 작동 조건 하의 고온에서 상기 용접부에 단락이 발생하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지가 개시되어 있다. 그러나 파우치의 부피팽창을 매개로 전극탭과 전극리드를 단선시키는 단락구조물에 대응되는 구성은 확인할 수 없다.
한국 특허등록공보 제10-1601123호(2016.03.08)에서는 전극조립체, 및 상기 전극조립체를 밀봉에 의해 외부와 차단하고 있는 전지케이스를 포함하는 이차전지에 있어서, 그의 일단이 상기 전극조립체와 연결되고, 상기 전극조립체로부터 돌출되고, 그의 타단이 상기 전지케이스의 외부로 노출되어 있는 제 1 전극리드, 및 상기 제 1 전극리드와 탈착 가능하게 연결되어 있으며, 상기 전지케이스의 내부로부터 외부까지 연장되어 노출되는 제 2 전극리드를 포함하고, 상기 제 1 전극리드와 상기 제 2 전극리드 사이를 결합하는 접착부가, 상기 전지케이스의 외부에 존재하는 이차전지가 개시되어 있다. 다만, 파우치의 부피팽창을 매개로 전극탭과 전극리드를 단선시키는 단락구조물에 대응되는 구성은 개시되어 있지 않다.
한국 특허등록공보 제10-1614434호(2016.05.02)에서는 과전류 차단 기능을 갖는 배터리 셀로서, 전극조립체; 간극을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 및 상기 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트보다 낮은 융점을 갖는 것으로서 상기 간극을 채우는 합금 브릿지를 포함하며 상기 전극조립체와 연결되는 전극 리드; 상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 상기 전극조립체를 수용하는 셀 케이스; 및 상기 배터리 셀의 양 단 사이에 연결되어 상기 배터리 셀의 온도가 설정 온도 이상이 되는 경우 상기 배터리 셀의 외부 단락을 유도하는 CTR 소자를 포함하며, 상기 합금 브릿지는, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 비교하여 더 큰 전기저항을 가지며, 상기 셀 케이스의 외측에 위치하는 배터리 셀을 개시하고 있다. 다만, 파우치의 부피팽창을 매개로 전극탭과 전극리드를 단선시키는 단락구조물에 대응되는 구성은 개시되어 있지 않다.
한국 공개특허공보 제2012-0139590호(2012.12.27)에서는 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지; 및 미세한 간극을 사이에 두고 이격된 상태로 상기 무연 솔더링 브릿지와 접합된 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품이 개시되어 있다. 다만, 파우치의 부피팽창을 매개로 전극탭과 전극리드를 단선시키는 단락구조물에 대응되는 구성은 개시되지 않았습니다.
일본 공개특허공보 제2011-249128호(2011.12.08)에서는 길이 방향으로 간격을 두고 대향하는 한 쌍의 리드 도체와 상기 각 리드 도체의 대향단부 각각에서 길이 방향 바깥쪽으로 노치해서 형성된 한 쌍의 노치와 상기 한 쌍의 노치의 폭방향 양쪽에 위치하는 상기 리드 도체의 대향단부에 저융점 가용 합금을 용접해, 상기 한 쌍의 리드 도체를 접합하는 접합부를 가지며, 상기 절결홈의 길이 방향의 크기가 상기 접합부의 길이 방향의 크기와 동등하게 설정해 있거나 또는 상기 접합부의 길이 방향의 크기보다 커지도록 설정해 있는 온도 퓨즈가 개시되어 있다. 다만, 파우치의 부피팽창을 매개로 전극탭과 전극리드를 단선시키는 단락구조물에 대응되는 구성은 개시되어 있지 않다.
한국 공개특허공보 제2015-0074439호(2015.07.02)에서는 다수의 셀로 이루어진 배터리 스택; 상기 배터리 스택의 셀 중 둘 이상의 셀에 전기적으로 연결되고, 선택적으로 전기적 연결을 단속하는 단속수단이 구성된 세이프티 회로; 및 상기 세이프티 회로에 연결된 셀 사이에 마련되고, 셀 스웰링시 선택적으로 전기적 연결이 스위칭되도록 하는 스위칭수단이 구성된 폐쇄 회로;를 포함하고, 셀 스웰링 발생시 스위칭수단이 가압에 의해 ON 상태로 전환되어 세이프티 회로의 단속수단을 단락시키고, 스위칭수단을 통해 셀들 간의 통전이 이루어지며, 추가적인 셀 스웰링 발생시 스위칭수단이 OFF 상태로 전환되어 셀들 간의 통전이 차단되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 안전 장치가 개시되어 있다. 다만, 파우치의 부피팽창을 매개로 전극탭과 전극리드를 단선시키는 단락구조물에 대응되는 구성은 개시되어 있지 않다.
따라서 과충전 및 이상으로 인한 가스 발생 등의 비정상 상태와 같이 가스 발생에 따른 파우치형 전지의 내부 압력 증가 및 부피팽창을 매개로 이차전지를 단락시키는 것을 특징으로 하는 과충전시 안전성 확보를 위한 단락 구조물 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지 기술은 제시된 바가 없다.
한국 공개특허공보 제2016-0129763호(2016.11.09) 한국 특허등록공보 제10-1601123호(2016.03.08) 한국 특허등록공보 제10-1614434호(2016.05.02) 한국 공개특허공보 제2012-0139590호(2012.12.27) 일본 공개특허공보 제2011-249128호(2011.12.08) 한국 공개특허공보 제2015-0074439호(2015.07.02)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주된 목적은 파우치형 전지셀의 비정상 상태에서 발생한 가스로 인한 스웰링 등의 부피 팽창 또는 과충전에 따른 전지 안전성을 유지하기 위하여 기계적으로 전극탭 및/또는 전극리드를 단락시키는 전극 단락 구조물을 제공하기 위한 안전성 확보를 위한 단락 구조물 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 전지셀의 비정상상태에서 전류를 끊을 수 있는 추가적인 장치가 아닌 전지셀의 에너지밀도를 유지할 수 있는 간단한 단락구조물 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공하는데 추가적인 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 양극판, 분리막, 음극판, 전극탭 및 전극리드를 포함하는 단위 셀 또는 2개 이상 적층된 셀 어셈블리가 파우치 케이스에 수용된 복수의 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 파우치형 이차전지는 양단이 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드와 결합된 2개 이상의 유닛으로 형성된 파우치의 부피팽창 변형시 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 단선시키는 단락구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 제공한다.
또한, 상기 단락구조물은 상기 파우치의 부피팽창에 의한 형태 변형을 매개로 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 2개 이상의 유닛으로 결합된 상기 단락구조물의 분리에 기인하여 단선시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 단락구조물은 소정의 위치에 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드가 삽입될 수 있는 홀이 형성될 수 있다.
또한, 상기 단락구조물은 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느하나 또는 2 이상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극탭은 양극탭, 음극탭 또는 이들 둘다일 수 있다.
또한, 상기 전극리드는 양극리드, 음극리드 또는 이들 둘다일 수 있다.
또한, 상기 단락구조물은 요(凹)유닛 및 철(凸)유닛의 결합물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 단락구조물의 홀이 형성되지 않은 하나 또는 2 이상의 측면은 파우치와 접할 수 있다.
또한, 상기 단락구조물의 상기 홀에 삽입되는 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드와 접하는 하나 이상의 상기 홀면에 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 절단할 수 있는 절단층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 절단층은 금속, 세라믹, 고분자 수지 중 어느 하나 또는 2 이상의 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드와 접하는 상기 절단층의 단면은 사각형, 원형, 반구형, 마름모형, 사선형, 물결형, 지그재그형, 톱니형, 무정형 중 어느 하나 또는 2 이상의 형태를 갖을 수 있다.
또한, 파우치형 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스 일 수 있다.
또한, 상기 디바이스는 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 저장장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 단선시키는 파우치의 부피팽창(Vshort) 조건은 상기 단락구조물의 일측면 길이를 L이라 할 때,
Vshort > L
의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 일 수 있다.
또한, 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 단선시키는 파우치의 부피팽창(Vshort) 조건은 상기 단락구조물의 양극절단층과 음극절단층 사이의 거리를 Lc라 할 때,
Lc < 0
의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 과충전시 안전성 확보를 위한 단락 구조물 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지에 의하면, 과충전뿐만 아니라 비정상 상태에서 발생하여 더 이상 파우치형 이차전지에 전류가 흐르는 것을 막을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 파우치형 이차전지에 추가로 복잡한 장치를 진행할 경우, 에너지 밀도가 낮아지는 것을 배제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 파우치형 이차전지의 가스팽창을 매개로 전극탭 및/또는 전극리드를 절단할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 예시적인 기존 파우치형 전지셀을 나타낸 도면이다.
도 2는 예시적인 파우치형 전지셀이 가스발생으로 부피팽창을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단락구조물이 형성된 파우치형 이차전지 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단락구조물이 양극탭을 단선시키는 것을 나타낸 단면 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단락구조물이 양극탭을 단선시키는 것을 나타낸 사시도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 단락구조물의 단면 결합도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 단락구조물의 측면 결합도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3개의 구성유닛으로 이루어진 양극단락구조물의 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 예시적인 기존 파우치형 전지셀을 나타낸 도면이다.
일반적으로 리튬 이차 전지를 제조함에 있어서, 먼저 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 물질을 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극판과 음극판을 제조하고, 이를 세퍼레이터의 양측에 적층함으로써 소정 형상의 전지셀을 형성한 다음에, 이 전지셀을 전지 케이스에 삽입하고 전해액 주입 후 밀봉함으로써 전지 팩을 완성하는 과정을 취한다.
통상적인 전극조립체(electrode assembly)에 연결되어 있는 전극리드(electrode lead)의 구조는 일단이 전극조립체에 연결되어 있고 타단이 전지케이스(battery case)의 외부로 노출되어 있고, 상기 전극조립체의 주변에 존재하여 감싸고 있는 전지케이스가 전극리드가 상기 전지케이스의 외부로 연장되어 있는 부위에서 실란트에 의한 접착층에 의해 밀봉되는 전극리드의 구조를 갖는다.
또한, 전극조립체에는 전극탭이 구비된다. 전극조립체의 집전판은 전극활물질이 도포된 부분과 전극활물질이 도포되지 않은 무지부로 구성되고, 전극탭은 무지부를 재단하여 형성한 것이거나 무지부에 초음파 용접 등에 의해 연결시킨 별도의 도전부재일 수 있다. 전극탭은 도시한 바와 같이 서로 마주보도록 전극조립체에 나란히 형성되도록 단방향으로 돌출될 수도 있고, 쌍방향으로 돌출될 수도 있다.
전극탭은 전지 내부와 외부의 전자 이동경로 역할을 수행하는 것으로서, 상기 전극리드는 이 전극탭과 스폿 용접 등에 의해 연결된다. 전극리드는 양극 탭 및 음극 탭의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드 및 음극 리드는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드는 양극 판과 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드는 음극 판과 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 최종적으로 전극리드는 단자부를 통하여 외부단자와 전기적으로 연결된다.
파우치 외장재는 전극리드의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극조립체를 수용하여 밀봉한다. 전극리드와 파우치 외장재 사이에는 앞서 설명한 실런트 등이 접착층이 개재된다. 파우치 외장재는 테두리에 실링 영역을 구비하고, 전극리드의 수평슬릿은 실링 영역으로부터 접합부 쪽으로 이격되어 있다. 즉, 전극리드가 반전된 T자 형상일 때에, T자의 다리 부분이 파우치 외장재 외측으로 돌출되고 T자의 머리 부분 일부가 실링 영역 내에 형성된다.
보통 양극 집전판으로는 알루미늄 재질을, 음극 집전판으로는 구리 재질을 사용하는데, 스웰링 현상 발생시 알루미늄 호일보다는 구리 호일이 더 쉽게 파열되는 경향이 있으므로, 양극 리드보다는 음극 리드의 파열 가능성이 더 높을 수 있다. 그러한 경우에는 음극 리드를 이러한 파단 가능한 전극리드로 형성하는 것이 바람직할 수 있다
이차전지의 정상 상태에서는 상기 접착층에 의해 전극조립체가 외부와 차단되어 있으며, 과충전, 고온 등과 같은 원인에 의해 전지 내부의 압력 상승시에는 전지케이스의 팽창이 유발될 것이지만 단지 전지케이스의 약한 부위 또는 다른 구성요소의 약한 접합 부위가 파열되어 전지 내부의 기체가 배기될 것이다.
그러나, 전지로부터의 전류는 전극조립체와 전극리드가 전기적으로 연결되어 있는 한, 전류는 계속적으로 흐를 것이므로 여전히 전지의 안정성을 확보하기란 매우 어렵다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 이차전지에 주입되는 전해질의 양을 조정하거나 또는 전류차단부재(CID)의 단락 압력을 조정하는 방법이 사용되고 있으나, 이는 과충전시 전지의 안전성이 저하시키는 문제점이 있다. 즉, 과충전시 전지의 안전성과 고온 환경에서 전지를 사용함에 따른 사용 안정성을 동시에 해결하기는 용이치 않다.
(비교예)
도 2는 예시적인 파우치형 전지셀이 가스발생으로 부피팽창을 나타낸 도면이다.
파우치는 가스 배리어층(gas barrier layer)과 실란트층(sealant layer)을 포함한다. 그리고 가스 배리어층 상에 형성된 최외층으로서 표면 보호층을 더 포함하기도 한다. 상기 가스 배리어층은 가스 출입을 차단하기 위한 것으로서, 이는 주로 알루미늄 박막(Al foil)이 사용된다. 상기 실란트층은 최내층에 위치하여 내용물, 즉 셀과 접촉된다. 그리고 상기 표면 보호층은 내마모성 및 내열성 등을 고려하여 주로 나일론(Nylon) 수지가 사용된다. 상기 파우치는 위와 같은 적층 구조의 필름이 주머니 형태로 가공되어 제조되며 양극, 음극 및 세퍼레이터(separator) 등의 셀 구성 요소가 전해액에 함침된 다음 내장된다. 이와 같이 셀 구성 요소가 내장된 다음, 파우치의 입구에서 실란트층끼리 열접착되어 실링된다. 이때, 실란트층은 셀 구성 요소와 접촉되므로 절연성과 함께 내전해액성 등을 가져야 하며, 또한 외부와의 밀폐를 위해 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트층끼리 열접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로, 실란트층은 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 특히, 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내전해액성 등이 뛰어나 파우치의 실란트층으로 주로 사용되고 있다.
그러나 종래 기술에 따른 파우치형 이차전지는 폭발 위험성에 대한 안정성이 없는 문제점이 있다. 일반적으로, 셀에서는 전기를 생성/방출(충전/방전)하는 과정(산화환원 반응 등)에서 열과 압력을 발생하는데, 이때 셀 내부의 이상 반응에 의한 과충전이나 쇼트 등의 이유로 높은 열과 압력을 발생할 수 있다. 이러한 높은 열과 압력으로 폭발할 수 있는데, 종래의 파우치형 이차전지는 위와 같은 폭발 위험성을 방지할 수 있는 기술적 수단을 강구하지 못하여 폭발 위험성에 노출되어 있는 문제점이 있다.
(실시예)
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단락구조물이 형성된 파우치형 이차전지 도면이다.
양극판, 분리막, 음극판, 전극탭 및 전극리드를 포함하는 단위 셀 또는 2개 이상 적층된 셀 어셈블리가 파우치 케이스에 수용된 복수의 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 파우치형 이차전지는 양단이 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드와 결합된 2개 이상의 유닛으로 형성된 파우치의 부피팽창 변형시 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 단선시키는 단락구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 제공한다.
상기 단위 셀은 단 셀을 의미한다.
상기 파우치형 이차전지는 절연테이프를 추가로 포함할 수 있다. 상기 절연테이프는 전극탭이 파우치와 접촉하는 소정위치에 부착되어 파우치와 전극탭 사이를 절연시키면서 실링하게 된다. 상기 파우치는 실링 과정에서 전극탭과 접촉되는 부분에서 상대적으로 압력이 높게 되므로 파우치막의 캐스티드 폴리프로필렌(Casted Polypropylene ; CPP)층의 손상가능성이 증대된다. 따라서, 상기 파우치가 가열 가압 상태에서 융착되어 밀봉될 때, 절연테이프의 내층은 기계적 강도와 내열성을 부여하여 절연테이프의 형상이 유지하여 파우치와 전극탭과의 전기적 절연성이 유지되도록 한다. 특히, 상기 절열테이브의 내층은 파우치의 알루미늄 박막이 밀봉과정에서 일부 노출되더라도 전극탭과 전기적으로 접촉되는 것을 방지하여 절연성을 유지하게 된다. 상기 절연테이브의 외층은 가열 가압 상태에서 일부 형태가 변형되더라도 파우치와 전극탭 사이에서 접착력을 부여하여 실링을 유지할 수 있도록 해준다. 따라서, 상기 파우치의 실링 과정에서 가열 가압에 의하여 파우치의 캐스티드 폴리프로필렌(Casted Polypropylene ; CPP)층이 변형되어 알루미늄 박막이 부분적으로 노출되더라도 실링을 유지할 수 있게 된다.
상기 단락구조물이 형성된 파우치형 이차전지는 캔형 이차전지의 CID가 형성되지 않아도 된다.
또한, 상기 단락구조물은 상기 파우치의 부피팽창에 의한 형태 변형을 매개로 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 2개 이상의 유닛으로 결합된 상기 단락구조물의 분리에 기인하여 단선시키는 것일 수 있다.
상기 단락구조물은 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 단선시킬 수 있다면 그 유닛의 결합 형태 및 개수에 제한되지 않음은 자명하다.
또한, 상기 단락구조물은 소정의 위치에 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드가 삽입될 수 있는 홀이 형성될 수 있다. 상기 단락구조물의 홀은 전극탭 및/또는 상기 전극리드가 삽입될 수 있다면 그 형태에 제한되지 않는다. 바람직하게 상기 홀은 직사각형, 사각형, 다각형 형태를 갖을 수 있다. 상기 전극탭 및/또는 전극리드가 삽입시 상기 홀의 일면 이상에 접할 수 있다.
상기 단락구조물의 재질은 상기 전극탭 및/또는 전극리드를 단락시킬 수 있다면 그 재질에 제한되지 않는다. 바람직하게는 고분자 수지, 무기질, 금속 중 어느 하나 또는 2이상의 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 단락구조물은 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상에 형성될 수 있다.
과충전 또는 비정상상태의 파우치형 전지의 단락을 통해 전류가 흐르지 않도록 하는 목적을 달성하기 위하여 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상에 형성될 수 있다. 바람직하게는 전극탭상에 형성될 수 있다. 파우치형 전지의 비정상적 팽창을 매개로 단락구조물이 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상을 물리적으로 그 구조체를 절단시키는 것이므로 복수의 단락구조물이 형성되어 상기 목적을 달성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단락구조물이 양극탭을 단선시키는 것을 나타낸 단면 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단락구조물이 양극탭을 단선시키는 것을 나타낸 사시도면이다.
또한, 상기 전극탭은 양극탭, 음극탭 또는 이들 둘 다일 수 있다.
또한, 상기 전극리드는 양극리드, 음극리드 또는 이들 둘 다일 수 있다.
또한, 상기 단락구조물은 요(凹)유닛 및 철(凸)유닛의 결합물로 구성될 수 있다.
상기 단락구조물의 구성유닛은 비정상상태의 파우치형 전지의 부피팽창을 매개로 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상을 물리적으로 절단시키는 것으로 상기 목적을 달성할 수 있다면 다양한 형태의 결합물로 구성될 수 있다. 바람직하게는 2개 이상의 유닛상에 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상이 삽입될 수 있는 동일상의 삽입홀이 형성된 유닛의 결합형태가 적절하다. 상기 단락구조물의 구성유닛이 파우치형 이차전지의 부피팽창을 매개로 분리되면서 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상을 물리적으로 절단시키는 목적을 달성하여 파우치형 전지에 전류가 통전되지 않도록 하는 효과를 달성할 수 있다.
또한, 상기 단락구조물의 홀이 형성되지 않은 하나 또는 2 이상의 측면은 파우치와 접할 수 있다.
상기 단락구조물이 측면이 정상상태의 상기 파우치형 전지의 일면에 접하지 않는다면, 비정상상태의 파우치형 전지의 부피팽창을 매개로 2개 이상의 유닛으로 구성된 상기 단락구조물의 분리 효과는 적절히 발휘될 수 없다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 단락구조물의 단면 결합도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 단락구조물의 측면 결합도면이다.
또한, 상기 단락구조물의 상기 홀에 삽입되는 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드와 접하는 하나 이상의 상기 홀면에 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 절단할 수 있는 절단층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 절단층은 금속, 세라믹, 고분자 수지 중 어느 하나 또는 2 이상의 재질로 이루어질 수 있다. 상기 절단층의 재질은 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상을 물리적으로 절단할 수 있는 정도의 경도를 갖는 것은 자명하며, 상기 비정상상태의 파우치형 전지의 온도 및 압력조건에 상기 경도 및 절단력을 유지할 수 있는 재질인 것을 자명하다.
또한, 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드와 접하는 상기 절단층의 단면은 사각형, 원형, 반구형, 마름모형, 사선형, 물결형, 지그재그형, 톱니형, 무정형 중 어느 하나 또는 2 이상의 형태를 갖을 수 있다. 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상을 물리적으로 절단할 수 있다면 그 절단층의 단면은 다양한 형상을 가질 수 있음은 자명하다.
또한, 상기 절단층의 최외각의 두께는 상기 절단층이 상기 단락구조물가 접하는 면의 두께보다 작을 수 있다. 또한 상기 절단층의 최외각 단면은 삼각형 형태 일 수 있다. 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상을 물리적으로 끊을 수 있다면 상기 최외각 단면의 형태는 제한되지 않는다.
또한, 상기 단락구조물이 형성된 파우치형 이차전지를 포함하는 전자기기 일 수 있다.
또한, 상기 단락구조물이 형성된 파우치형 이차전지를 포함하는 전기 자동차 일 수 있다.
또한, 상기 단락구조물이 형성된 파우치형 이차전지를 포함하는 하이브리드 자동차 일 수 있다.
또한, 상기 단락구조물이 형성된 파우치형 이차전지를 포함하는 전력 저장 장치 일 수 있다.
또한 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 단선시키는 파우치의 부피팽창(Vshort) 조건은 상기 단락구조물의 일측면 길이를 L이라 할 때,
Vshort > L의 조건을 만족할 수 있다.
여기서, Vshort는 상기 단락구조물이 정상적으로 결합된 상태에서 상기 단락구조물요유닛과 상기 단락구조물철유닛으로 분리되면서 일측면의 길이가 늘어나는 상태로 정의하여 상기 조건을 명확히 하고자 한다.
바람직하게는 Vshort > 2L의 조건을 만족할 수 있다.
또한, 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 단선시키는 파우치의 부피팽창(Vshort) 조건은 상기 단락구조물의 양극절단층과 음극절단층 사이의 거리를 Lc라 할 때,
Lc < 0
의 조건을 만족할 수 있다.
여기서 Lc는 상기 단락구조물이 정상적으로 결합된 상태에서 상기 단락구조물요유닛과 상기 단락구조물철유닛으로 분리되며 절단층이 교차되고 상기 홀에 삽입되는 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 상기 절단층이 절단하게 된다. 따라서, 상기 Lc는 점진적으로 작아지게되고 최종적으로 교차되면서 Lc는 0의 값을 갖고 이후 상기 단락구조물의 완전 분리에 따라 다시 Lc는 증가하게 되나, 상기 단락구조물의 완전 분리후의 상기 Lc 길이는 마이너스 부호를 부여하여 상기 조건을 명확히 하고자 한다.
상기 단락구조물은 파우치형 이차전지의 실링 영역 내에 형성된다. 상부파우치의 일면에 형성되는 접착층은 실링 영역과 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상 부분에 형성되고, 하부파우치의 일면에 형성되는 접착층은 실링 영역과 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상 부분에 형성된다.
이와 같이 이차전지의 실링 영역에 형성된 단락구조물은 이차전지 내압 상승시 파우치 외장재의 변형력이 파우치 상면 및 하면에 반대 방향으로 작용하여 2개이상의 유닛으로 구성된 단락구조물이 분리되면서 상기 단락구조물의 홀에 삽입된 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상이 절단 될 수 있다.
파단 가능한 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느 하나 또는 2 이상에 모두 적용할 수 있지만 둘 중 하나에 적용하여도 된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3개의 구성유닛으로 이루어진 양극단락구조물의 도면이다.
상기 제1단락구조물, 제2단락구조물 및 제3단락구조물로 이루어진 양극단락구조물은 음극에도 적용될 수 있다. 상기 제1단락구조물, 제2단락구조물 및 제3단락구조물에 형성된 단락구조물홀에는 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드가 삽입될 수 있음은 자명하다. 또한, 상기 제1단락구조물 및 제3단락구조물의 홀이 형성되지 않은 하나 또는 2 이상의 측면은 파우치와 접할 수 있다.
상기 제1단락구조물, 제2단락구조물 및 제3단락구조물 중 어느 하나 또는 2 이상의 상기 단락구조물홀에 삽입되는 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드와 접하는 하나 이상의 상기 홀면에 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 절단할 수 있는 절단층이 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에 서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한 것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
100 : 전지셀
110 : 상부파우치
120 : 전극조립체
121 : 양극탭
122 : 음극탭
123 : 절연테이프
124 : 양극리드
125 : 음극리드
126 : 양극단락구조물
126a : 양극단락구조물요유닛
126b : 양극단락구조물철유닛
127 : 음극단락구조물
128 : 단락구조물홀
128a : 양극단락구조물홀
128b : 음극단락구조물홀
129 : 절단층
129a : 양극절단층
129b : 음극절단층
130 : 하부파우치
131 : 제1단락구조물
132 : 제2단락구조물
133 : 제3단락구조물

Claims (15)

  1. 양극판, 분리막, 음극판, 전극탭 및 전극리드를 포함하는 단위 셀 또는 2개 이상 적층된 셀 어셈블리가 파우치 케이스에 수용된 복수의 파우치형 이차전지에 있어서,
    상기 파우치형 이차전지는 양단이 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드와 결합된 2개 이상의 유닛으로 형성된 파우치의 부피팽창 변형시 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 단선시키는 단락구조물; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락구조물은 상기 파우치의 부피팽창에 의한 형태 변형을 매개로 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 2개 이상의 유닛으로 결합된 상기 단락구조물의 분리에 기인하여 단선시키는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단락구조물은 소정의 위치에 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드가 삽입될 수 있는 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단락구조물은 상기 전극탭, 상기 전극리드, 상기 전극탭과 상기 전극리드의 연결부 중 어느하나 또는 2 이상에 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭은 양극탭, 음극탭 또는 이들 둘다인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극리드는 양극리드, 음극리드 또는 이들 둘다인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 단락구조물은 요(凹)유닛 및 철(凸)유닛의 결합물로 구성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 단락구조물의 홀이 형성되지 않은 하나 또는 2 이상의 측면은 파우치와 접하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 단락구조물의 상기 홀에 삽입되는 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드와 접하는 하나 이상의 상기 홀면에 상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 절단할 수 있는 절단층이 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 절단층은 금속, 세라믹, 고분자 수지 중 어느 하나 또는 2 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드와 접하는 상기 절단층의 단면은 사각형, 원형, 반구형, 마름모형, 사선형, 물결형, 지그재그형, 톱니형, 무정형 중 어느 하나 또는 2 이상의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른,
    상기 파우치형 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 디바이스는 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 단선시키는 파우치의 부피팽창(Vshort) 조건은 상기 단락구조물의 일측면 길이를 L이라 할 때,
    Vshort > L
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭 및/또는 상기 전극리드를 단선시키는 파우치의 부피팽창(Vshort) 조건은 상기 단락구조물의 양극절단층과 음극절단층 사이의 거리를 Lc라 할 때,
    Lc < 0
    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
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