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WO2018135767A2 - 클래드 구조의 금속층을 포함하는 전지케이스 및 이를 포함하고 있는 전지셀 - Google Patents

클래드 구조의 금속층을 포함하는 전지케이스 및 이를 포함하고 있는 전지셀 Download PDF

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WO2018135767A2
WO2018135767A2 PCT/KR2017/015433 KR2017015433W WO2018135767A2 WO 2018135767 A2 WO2018135767 A2 WO 2018135767A2 KR 2017015433 W KR2017015433 W KR 2017015433W WO 2018135767 A2 WO2018135767 A2 WO 2018135767A2
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metal
layer
battery case
battery
metal layer
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최용수
김상훈
유형균
이지훈
황수지
김초롱
강민형
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LG Chem Ltd
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LG Chem Ltd
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a battery case including a metal layer of a clad structure and a battery cell including the same.
  • lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries is high.
  • a pouch-type battery having a structure in which a stack type or a stack / fold type electrode assembly is incorporated in a pouch type battery case of an aluminum laminate sheet has attracted much attention due to its low manufacturing cost, small weight, and easy shape deformation. Its usage is gradually increasing.
  • a pouch type battery refers to a battery in which an electrode assembly and an electrolyte are sealed inside a pouch type case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer.
  • the electrode assembly accommodated in the battery case has a structure of a jelly-roll type (wound) electrode assembly or a stacked type (laminated) electrode assembly.
  • FIG. 1 schematically illustrates a structure of a general pouch type secondary battery including a stacked electrode assembly.
  • the pouch-shaped battery case 20 is integrally connected to a case body 21 including a recess 23 having a concave shape in which an electrode assembly 30 may be seated, and such a body 21. It consists of a cover 22.
  • the case body 21 and the cover 22 have an outer coating layer 20a made of ONy (stretched nylon film), a barrier layer 20b made of aluminum, and an inner sealant layer 20c made of CPP (non-stretched polypropylene film).
  • the inner sealant layer 20c has a hot melt layer (not shown) coated on the edge of the inner sealant layer 20c, and the upper end 24 of the case body 20 and the upper end of the cover 22 are heat-sealed and fixed. It becomes possible.
  • Such a pouch type battery case is required to have a high formability so that the area and depth of the accommodating portion can be increased in order to increase the capacity of the battery, the aluminum layer (flexible and malleable) is used as a barrier layer. .
  • Repetitive charging and discharging of the secondary battery may cause a problem in safety due to high temperature in the inside of the cell, and aluminum foil corresponds to a metal having relatively low thermal conductivity. Therefore, there is a high demand for a secondary battery having improved safety by discharging heat inside the battery cell to the outside while improving moldability of the battery case using a metal having high ductility and malleability.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application use a battery case including a metal layer made of a cladding layer of a first metal and a second metal having different formability and thermal conductivity, as described later.
  • a battery case including a metal layer made of a cladding layer of a first metal and a second metal having different formability and thermal conductivity, as described later.
  • the battery case according to the present invention for achieving the above object is a pouch-type battery case for embedding the electrode assembly of the structure having a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode together with the electrolyte, the battery cell to protect the battery from the outside
  • At least a part of the metal layer is formed of a cladding layer of a first metal and a second metal having different formability and thermal conductivity.
  • the battery case according to the present invention includes a metal layer including a cladding layer composed of two kinds of metals, and the two kinds of metals are composed of metals having different ductility, conductivity, and thermal conductivity. And by including a metal having a good thermal conductivity, the moldability of the battery case can be improved and by using a good thermal conductivity metal it is possible to quickly discharge the heat energy inside the battery cell to the outside.
  • the clad layer has a structure in which the first metal and the second metal are joined to each other by rolling. Unlike the alloys of the two different metals, the properties of the two different metals may be maintained. The advantages of both the metal and the second metal can be obtained.
  • the metal layer has a structure in which one or more first bonding layers made of a first metal and one or more second bonding layers made of a second metal are laminated and bonded to each other in the thickness direction of the battery case. Can be.
  • Such a structure may be formed on at least a portion of the metal layer, or may be formed on the entire portion of the metal layer.
  • the first bonding layer and the second bonding layer are alternately arranged in the thickness direction of the battery case, and the areas of the first bonding layer and the second bonding layer may be the same.
  • an area of the first bonding layer may be larger than that of the second bonding layer, or an area of the second bonding layer may be larger than that of the first bonding layer. It may be.
  • the metal layer may include one or more first bonding portions made of a first metal and one or more second bonding portions made of a second metal adjacently bonded to each other in the width direction perpendicular to the thickness direction of the battery case. It may be a structure arranged.
  • Such a structure may be formed on at least a portion of the metal layer, or may be formed on the entire portion of the metal layer.
  • the first junction and the second junction are alternately arranged adjacent to each other in the width direction perpendicular to the thickness direction of the battery case, and the cross section of the thickness direction of the battery case shows that the width of the first junction is the width of the second junction. And may be formed the same as each other. However, in consideration of the moldability and thermal conductivity of the battery case, one of the first junction portion and the second junction portion may be formed to have a wider width, and the other one may be formed to have a smaller width.
  • the metal layer may include a third bonding portion formed on an outer surface of at least one of a first bonding portion made of a first metal and a second bonding portion made of a second metal, in a width direction perpendicular to a thickness direction of the battery case. It may be a structure that is bonded to each other adjacently.
  • the third junction portion may be arranged to be positioned between the first junction portion and the second junction portion, and may have a structure joined to the first junction portion and the second junction portion.
  • a third junction made of a third material to form a clad structure consisting of three different metals, there is an advantage that all the properties of the three metals can be used.
  • the first metal may have a material affinity for the outer coating layer or the inner sealant layer relatively higher than that of the second metal, and the second metal may have a relatively high ductility and thermal conductivity than the first metal.
  • the first metal may be aluminum or an aluminum alloy
  • the second metal may be copper or a copper alloy.
  • any material having a material affinity for the outer coating layer and the inner sealant layer disposed on the upper and lower surfaces of the battery case metal layer or having a high ductility and thermal conductivity is not particularly limited and may be used as the first metal and the second metal, respectively. Of course.
  • the entire metal layer may be formed of a cladding layer in which the first bonding layer and the second bonding layer are stacked in the thickness direction of the battery case.
  • each of the first and second metal layers may be formed on the upper and lower surfaces of the second bonding layer.
  • the bonding layers may be stacked.
  • the metal part may have a structure that is useful for accommodating a large electrode assembly by deeply forming an accommodating part of the battery case.
  • the entire metal layer may be formed of a cladding layer in which the first bonding layer and the second bonding layer are arranged adjacent to each other in a width direction perpendicular to the thickness direction of the battery case.
  • the second bonding portion Each of the first junctions may be arranged at both ends of the structure.
  • the metal having good thermal conductivity is connected to the outer coating layer and the inner sealant layer, which may be a structure useful for discharging heat inside the battery cell to the outside.
  • the content of the first metal and the content of the second metal in the metal layer is the area of the first junction to the first junction layer and the second junction to the second junction layer in consideration of the size, capacity and life characteristics of the battery cell, etc.
  • the content of the first metal based on the content (volume basis) of the entire metal layer may be configured to be relatively higher than the content of the second metal.
  • the first metal is a material affinity for the outer cladding or inner sealant layer
  • the second metal is a metal with higher ductility and thermal conductivity than the first metal
  • the metal layer includes a clad structure, unlike the metal layer of a single structure included in the conventional laminate sheet, specifically, the total thickness of the metal layer may be made in the range of 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, laminate sheet Within the same range, the thickness of the cladding layer bonded in the horizontal direction and the thickness of the cladding layer bonded in the vertical direction may be the same or different according to the thickness change of the outer coating layer and the inner sealant layer.
  • the present invention also provides a battery cell in which an electrode assembly and an electrolyte are built in the battery case, and a battery pack in which a plurality of battery cells are arranged adjacent to each other.
  • the battery pack includes a cooling member that is cooled by a gaseous or liquid refrigerant.
  • the second metal has a higher thermal conductivity than the first metal, and the cooling member is formed in the battery pack.
  • the mounting position of the battery cell may be set to be adjacent to the portion made of the second metal relative to the portion made of the first metal.
  • the cooling member when the cooling member is positioned to be adjacent to the portion of the battery case made of the second metal having a relatively high thermal conductivity, the purpose for discharging the heat inside the battery cell to the outside of the battery cell can be more effectively achieved.
  • the present invention also provides a device including the battery pack as a power source.
  • the battery pack may be used as a power source of a device requiring high temperature safety, long cycle characteristics, high rate characteristics, and the like, and a detailed example of such a device may include a mobile device and a wearable device.
  • a power tool that is driven by an electric motor Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like; Electric motorcycles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf carts; An energy storage system and the like, but are not limited thereto.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of the structure of a conventional general pouch type secondary battery
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a laminate sheet according to one embodiment
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a laminate sheet according to another embodiment '
  • FIG. 5 is a perspective view of a battery pack including a battery cell consisting of the laminate sheet of FIG.
  • FIG. 2 to 4 schematically show a cross-sectional view of a part of the battery case according to the present invention.
  • the laminate sheet 100 has a structure in which an outer coating layer 110, a metal layer 120, and an inner sealant layer 130 are sequentially stacked, and the metal layer 120 has an outer coating layer 110 and an inner sealant.
  • the layer 130 is composed of a cladding layer consisting of three bonding layers parallel to the stacked direction.
  • the metal layer 120 includes a first bonding layer 121 made of a first metal, a second bonding layer 122 made of a second metal, and a first bonding layer 121 made of a first metal.
  • the first bonding layer 121 is positioned on the upper and lower surfaces of the layer 122, respectively.
  • the cladding layer is illustrated as being formed on the entire metal layer 120, a part of the metal layer may be formed of the cladding layer, and the remaining part may be made of the first metal or the second metal.
  • the laminate sheet 200 has a structure in which an outer coating layer 210, a metal layer 220, and an inner sealant layer 230 are sequentially stacked, and the metal layer 220 has an outer coating layer 210 and an inner sealant. It consists of a cladding layer in which the 1st junction part 221 and the 2nd junction part 222 are alternately bonded and arranged in the width direction which is perpendicular to the direction where the layer 230 was laminated
  • the cladding layer is illustrated as being formed over the entire metal layer 220, a part of the metal layer may be formed of the cladding layer, and the rest may be made of the first metal or the second metal. Alternatively, there may be a structure in which the second junction is in the center of the laminate sheet, and the first junctions are arranged at both ends of the second junction.
  • the laminate sheet 300 has a structure in which an outer coating layer 310, a metal layer 320, and an inner sealant layer 330 are sequentially stacked, and the metal layer 320 has an outer coating layer 310 and an inner sealant. It consists of a cladding layer in which the 1st junction part 321, the 2nd junction part 322, and the 3rd junction part 323 are sequentially arranged in the width direction perpendicular
  • the order of the first junction portion 321, the second junction portion 322, and the third junction portion 323, and the sum and the number of the respective junction portion widths are not particularly limited as long as they improve the formability of the battery case and increase the thermal conductivity. .
  • the content of the first metal constituting the first joint portion is based on the content (volume basis) of the entire metal layer of the second metal constituting the second joint portion. It is preferred that relatively more than the content.
  • the thicknesses of the metal layers 120, 220, and 320 of the laminate sheets 100, 200, and 300 may be formed in a range of 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, and the thickness of the metal layer 120 and the metal layer 220.
  • the thickness of may be the same or different depending on the thickness change of the outer coating layer and the inner sealant layer within the same range that the overall thickness of the laminate sheet is the same.
  • FIG. 5 schematically illustrates an enlarged front view of a battery pack and a portion thereof in which battery cells formed of the laminate sheet of FIG. 2 are stacked.
  • battery cells 401, 402, and 403 are stacked adjacent to each other in a vertical direction in a pack case (not shown), and a cooling is performed on an upper surface of the battery cell 401.
  • the member 450 is located.
  • the cooling member 450 is positioned in the laminate sheet 200 so as to be adjacent to the second bonding portion 222 made of the second metal having a relatively high thermal conductivity.
  • the cooling member 450 efficiently arranges the positions of the cooling members, thereby dissipating heat inside the battery cell. Quick discharge to the outside is possible.
  • the battery case according to the present invention includes a metal layer made of a cladding layer, thereby improving moldability and thermal conductivity of the battery case.
  • the battery case according to the present invention includes a clad structure in which a first metal and a second metal having different formability and thermal conductivity are bonded to at least a portion of the metal layer, and the clad structure has ductility and conductivity. Since the high metal and the metal having good thermal conductivity are included, the moldability of the pouch type battery case may be improved to provide a battery case capable of storing a high capacity electrode assembly.
  • a part of the battery case includes a metal having good thermal conductivity, it is possible to quickly discharge heat energy generated inside the battery cell to the outside during the charging and discharging process of the secondary battery, thereby preventing explosion or ignition due to high temperature phenomenon.
  • a secondary battery having improved safety can be provided.

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Abstract

양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 전해액과 함께 내장하기 위한 파우치형 전지케이스로서, 전지셀을 외부로부터 보호하기 위하여 전지케이스의 외면을 구성하는 고분자 수지의 외부 피복층, 상기 외부 피복층의 내측에 위치하고, 수분 차단성 및 열전도성을 제공하는 금속층, 및 상기 금속층의 내측에 위치하고 열융착성을 가진 고분자 수지의 내부 실란트층을 포함하고, 상기 금속층의 적어도 일부는 성형성과 열전도성이 서로 다른 제 1 금속과 제 2 금속의 클래드층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지케이스.

Description

클래드 구조의 금속층을 포함하는 전지케이스 및 이를 포함하고 있는 전지셀
본 발명은 클래드 구조의 금속층을 포함하는 전지케이스 및 이를 포함하고 있는 전지셀에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
일반적으로, 파우치형 전지는 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 밀봉되어 있는 전지를 말한다. 전지케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체 또는 스택형(적층형) 전극조립체의 구조로 이루어져 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 일반적인 파우치형 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일체로서 연결되어 있는 덮개(22)로 이루어져 있다.
케이스 본체(21)와 커버(22)는 ONy(연신 나일론 필름)으로 이루어진 외부 피복층(20a), 알루미늄으로 이루어진 배리어층(20b) 및 CPP(무연신 폴리프로필렌 필름)로 이루어진 내부 실란트층(20c)으로 구성되어 있고, 내부 실란트층(20c)의 테두리에는 핫멜트층(도시되지 않음)이 코팅되어 있어서, 케이스 본체(20)의 상단부(24)와 커버(22)의 상단부가 열융착되어 밀착 고정될 수 있게 된다.
이와 같은 파우치형 전지케이스는 전지의 용량 증가를 위하여 수납부의 면적 및 깊이가 커질 수 있도록 높은 성형성을 갖는 것이 요구되는 바, 배리어층으로 연성과 전성이 높은 알루미늄 호일(foil)을 사용하고 있다.
이차전지의 반복적인 충방전에 의해 셀 내부는 고온 현상에 의한 안전성이 문제될 수 있는데, 알루미늄 호일은 열전도성이 상대적으로 낮은 금속에 해당한다. 따라서, 높은 연성 및 전성을 갖는 금속을 사용하여 전지케이스의 성형성을 향상시킬 수 있으면서, 동시에 전지셀 내부의 열을 외부로 배출함으로써 안전성이 향상된 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 성형성과 열전도성이 서로 다른 제 1 금속과 제 2 금속의 클래드층으로 이루어진 금속층을 포함하는 전지케이스를 사용하는 경우, 전지케이스의 성형성을 높여 고용량의 전극조립체의 수납이 가능하며, 전지셀 내부에서 발생하는 열을 외부로 빠르게 배출할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지케이스는, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 전해액과 함께 내장하기 위한 파우치형 전지케이스로서, 전지셀을 외부로부터 보호하기 위하여 전지케이스의 외면을 구성하는 고분자 수지의 외부 피복층, 상기 외부 피복층의 내측에 위치하고, 수분 차단성 및 열전도성을 제공하는 금속층 및 상기 금속층의 내측에 위치하고 열융착성을 가진 고분자 수지의 내부 실란트층을 포함하고, 상기 금속층의 적어도 일부는 성형성과 열전도성이 서로 다른 제 1 금속과 제 2 금속의 클래드층으로 이루어져 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전지케이스는, 2종의 금속으로 구성된 클래드층으로 이루어진 금속층을 포함하고, 상기 2종의 금속은 연성 내지 전성 및 열전도성이 서로 다른 금속으로 구성되는 바, 연성 내지 전성 및 열전도성이 좋은 금속을 포함함으로써, 전지케이스의 성형성이 향상될 수 있으며 열전도성이 좋은 금속을 사용함으로써 전지셀 내부의 열에너지를 외부로 신속하게 배출할 수 있게 되었다.
따라서, 종래의 파우치형 전지케이스의 경우, 크기가 큰 고용량의 전극조립체를 수납하기 위하여 수납부가 깊게 성형된 전지케이스를 제조하기 어려웠던 문제점을 해결할 수 있으며, 이차전지의 충방전 및 이차전지의 이상 고온 현상에 의한 전지셀의 폭발 내지 발화의 발생을 방지할 수 있다.
상기 클래드층은 제 1 금속과 제 2 금속을 압연에 의해 상호 접합시킨 구조로 이루어지는 바, 서로 다른 2종의 금속을 합금하는 것과 달리 서로 다른 2종의 금속이 갖는 성질이 유지될 수 있으므로 제 1 금속 및 제 2 금속의 장점을 모두 얻을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 금속층은, 제 1 금속으로 이루어진 하나 이상의 제 1 접합층과, 제 2 금속으로 이루어진 하나 이상의 제 2 접합층이, 전지케이스의 두께 방향으로 상호 적층되어 접합 배열되어 있는 구조일 수 있다.
이와 같은 구조는 금속층의 적어도 일부에 형성될 수 있으며, 금속층의 전 부분에 형성될 수도 있다. 상기 제 1 접합층과 제 2 접합층은 전지케이스의 두께 방향으로 교대로 접합 배열되며, 제 1 접합층과 제 2 접합층의 면적은 동일할 수 있다. 다만, 전지케이스의 성형성 및 열전도도를 고려하여 제 1 접합층의 면적이 제 2 접합층의 면적보다 더 넓거나, 또는 제 2 접합층의 면적이 제 1 접합층의 면적보다 더 넓게 형성될 수도 있다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 금속층은, 제 1 금속으로 이루어진 하나 이상의 제 1 접합부와, 제 2 금속으로 이루어진 하나 이상의 제 2 접합부가, 전지케이스의 두께 방향에 수직인 폭 방향으로 상호 인접하여 접합 배열되어 있는 구조일 수 있다.
이와 같은 구조는 금속층의 적어도 일부에 형성될 수 있으며, 금속층의 전 부분에 형성될 수도 있다. 제 1 접합부와 제 2 접합부는 교대로 전지케이스의 두께 방향에 수직인 폭 방향으로 상호 인접하게 접합 배열되며, 전지케이스의 두께 방향의 단면적으로 볼 때, 제 1 접합부의 폭은 제 2 접합부의 폭과 서로 동일하게 형성될 수 있다. 다만, 전지케이스의 성형성 및 열전도도를 고려하여 제 1 접합부 및 제 2 접합부 가운데 어느 하나의 폭이 더 넓게 형성되고, 다른 하나의 폭이 더 좁게 형성될 수 있다.
또 다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 금속층은, 제 1 금속으로 이루어진 제 1 접합부과 제 2 금속으로 이루어진 제 2 접합부 중의 적어도 하나의 외면에, 제 3 접합부가 전지케이스의 두께 방향에 수직인 폭 방향으로 상호 인접하여 접합 배열되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 제 3 접합부는 제 1 접합부와 제 2 접합부 사이에 위치하도록 배열되어 제 1 접합부 및 제 2 접합부와 접합되는 구조일 수 있다. 이와 같은 경우, 제 3의 소재로 이루어진 제 3 접합부를 사용함으로써, 서로 다른 3종의 금속으로 이루어진 클래드 구조를 형성하게 되는 바, 3종의 금속들이 갖는 성질을 모두 이용할 수 있는 장점이 있다.
예를 들어, 상기 제 1 금속은 외부 피복층 또는 내부 실란트층에 대한 소재 친화성이 제 2 금속보다 상대적으로 높고, 상기 제 2 금속은 연성 및 열전도율이 제 1 금속보다 상대적으로 높은 특성을 가진 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 금속은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이고, 상기 제 2 금속은 구리 또는 구리 합금일 수 있다. 그러나, 전지케이스 금속층의 상면 및 하면에 위치하는 외부 피복층 및 내부 실란트층에 대해 소재 친화성이 있거나, 연성 및 열전도율이 높은 소재라면 특별히 제한되지 않고 각각 제 1 금속 및 제 2 금속으로 사용할 수 있음은 물론이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 금속층 전체는 전지케이스의 두께 방향으로 제 1 접합층과 제 2 접합층이 적층 배열되는 클래드층으로 이루어질 수 있는 바, 구체적으로, 제 2 접합층의 상하면에 각각 제 1 접합층들이 적층되어 있는 구조일 수 있다.
이와 같은 경우, 성형성이 좋은 금속이 금속층에 전체적으로 넓게 분포할 수 있으므로, 전지케이스의 수납부를 깊게 형성하여 크기가 큰 전극조립체를 수납하기에 유용한 구조일 수 있다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 금속층 전체는 전지케이스의 두께 방향에 수직인 폭 방향으로 제 1 접합층과 제 2 접합층이 인접하여 배열되는 클래드층으로 이루어질 수 있는 바, 구체적으로, 제 2 접합부의 양측 단부에 각각 제 1 접합부들이 배열되어 있는 구조일 수 있다.
이와 같은 경우, 열전도성이 좋은 금속이 외부 피복층 및 내부 실란트 층과 연결되어 있는 바, 전지셀 내부의 열을 외부로 배출하는 데 유용한 구조일 수 있다.
한편, 상기 금속층에서 제 1 금속의 함량 및 제 2 금속의 함량은 전지셀의 크기 내지 용량 및 수명 특성 등을 고려하여 제 1 접합부 내지 제 1 접합층 및 제 2 접합부 내지 제 2 접합층의 면적 내지 체적에 따라 결정될 수 있는 바, 구체적으로, 상기 금속층 전체의 함량(체적 기준)을 기준으로 제 1 금속의 함량이 제 2 금속의 함량보다 상대적으로 많도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 금속은 외부 피복층 또는 내부 실란트층에 대한 소재 친화성이 있는 것이고, 제 2 금속은 연성 및 열전도율이 제 1 금속보다 상대적은 높은 금속인 경우, 라미네이트 시트에서 금속층과 외부 피복층 또는 내부 실란트층과의 접착력이 낮아지는 것을 방지하면서, 전지케이스의 우수한 성형성 및 높은 열전도성을 발휘할 수 있는 바, 제 1 금속의 함량이 제 2 금속의 함량보다 상대적으로 많도록 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 금속층은 종래의 라미네이트 시트에 포함되는 단일한 구조의 금속층과 달리 클래드 구조를 포함하고 있는 바, 구체적으로, 상기 금속층의 전체 두께는 20 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위로 이루어질 수 있으며, 라미네이트 시트의 전체 두께가 동일한 범위 내에서, 외부 피복층 및 내부 실란트층의 두께 변화에 따라 수평 방향으로 접합된 클래드층의 두께 및 수직 방향으로 접합된 클래드층의 두께는 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지케이스에 전극조립체 및 전해액이 내장되어 있는 전지셀 및 상기 전지셀 복수 개가 인접 배열되어 있는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 기상 또는 액상의 냉매로 냉각되는 냉각 부재를 포함하고 있고, 상기 전지셀의 전지케이스에서 제 2 금속은 제 1 금속보다 상대적으로 열전도율이 높으며, 상기 냉각 부재는 전지팩 내에서, 제 1 금속으로 이루어진 부위에 비해 상대적으로 제 2 금속으로 이루어진 부위에 인접하도록, 전지셀에 대한 장착 위치가 설정되어 있는 구조일 수 있다.
이와 같이, 열전도율이 상대적으로 높은 제 2 금속으로 이루어진 전지케이스 부위와 인접하도록 냉각 부재가 위치하는 경우, 전지셀 내부의 열을 전지셀 바깥으로 배출하기 위한 목적을 더욱 효과적으로 달성할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로서 포함하는 디바이스를 제공한다.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는, 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래의 일반적인 파우치형 이차전지의 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 하나의 실시예에 따른 라미네이트 시트의 단면 모식도이다;
도 3은 다른 하나의 실시예에 따른 라미네이트 시트의 단면 모식도이다'
도 4는 또 다른 하나의 실시예에 따른 라미네이트 시트의 단면 모식도이다; 및
도 5는 도 3의 라미네이트 시트로 이루어진 전지셀을 포함하는 전지팩의 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 전지케이스 일부의 단면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 라미네이트 시트(100)는 외부 피복층(110), 금속층(120) 및 내부 실란트층(130)이 순차적으로 적층된 구조이며, 금속층(120)은 외부 피복층(110) 및 내부 실란트층(130)이 적층된 방향과 평행한 3층의 접합층으로 이루어진 클래드층로 이루어져 있다.
금속층(120)은 제 1 금속으로 이루어진 제 1 접합층(121), 제 2 금속으로 이루어진 제 2 접합층(122) 및 제 1 금속으로 이루어진 제 1 접합층(121)으로 이루어지는 바, 제 2 접합층(122)의 상면 및 하면에 제 1 접합층(121)이 각각 위치하고 있다.
클래드층은 금속층(120) 전체에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 금속층의 일부는 클래드층으로 이루어지고, 나머지는 제 1 금속 또는 제 2 금속으로 이루어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 라미네이트 시트(200)는 외부 피복층(210), 금속층(220) 및 내부 실란트층(230)이 순차적으로 적층된 구조이며, 금속층(220)은 외부 피복층(210) 및 내부 실란트층(230)이 적층된 방향과 수직 방향인 폭 방향으로 제 1 접합부(221)와 제 2 접합부(222)가 교대로 접합 배열되어 있는 클래드층으로 이루어져 있다.
클래드층은 금속층(220) 전체에 형성된 것으로 도시되어 있으나, 금속층의 일부는 클래드층으로 이루어지고, 나머지는 제 1 금속 또는 제 2 금속으로 이루어질 수 있다. 또는, 라미네이트 시트의 중심부에 제 2 접합부가 있고, 제 2 접합부의 양측 단부에 각각 제 1 접합부들이 배열되는 구조일 수 있다.
도 4를 참조하면, 라미네이트 시트(300)는 외부 피복층(310), 금속층(320) 및 내부 실란트층(330)이 순차적으로 적층된 구조이며, 금속층(320)은 외부 피복층(310) 및 내부 실란트층(330)이 적층된 방향과 수직 방향인 폭 방향으로 제 1 접합부(321), 제 2 접합부(322) 및 제 3 접합부(323)가 순차적으로 배열되어 있는 클래드층으로 이루어져 있다. 제 1 접합부(321), 제 2 접합부(322) 및 제 3 접합부(323)의 순서 내지 각각의 접합부 폭의 합 및 개수는 전지케이스의 성형성을 향상하고 열전도성을 높이기 위해서라면 특별히 제한되지 않는다.
다만, 라미네이트 시트(100) 및 라미네이트 시트(200)의 경우에는, 제 1 접합부를 구성하는 제 1 금속의 함량은 금속층 전체의 함량(체적 기준)을 기준으로 제 2 접합부를 구성하는 제 2 금속의 함량보다 상대적으로 많은 것이 바람직하다.
한편, 라미네이트 시트들(100, 200, 300)의 금속층(120, 220, 320)의 두께는 두께는 20 μm내지 100 μm의 범위로 형성될 수 있으며, 금속층(120)의 두께와 금속층(220)의 두께는 라미네이트 시트의 전체 두께가 동일한 범위 내에서, 외부 피복층 및 내부 실란트층의 두께 변화에 따라 동일하거나, 또는 상이할 수 있다.
도 5는 도 2의 라미네이트 시트로 이루어진 전지셀들이 적층되어 구성된 전지팩 및 이의 일부에 대한 정면부 확대도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 5를 참조하면, 전지팩(400)은 팩 케이스(도시하지 않음) 내부에 전지셀들(401, 402, 403)이 상하방향으로 인접하여 적층되어 있고, 전지셀(401)의 상면에는 냉각 부재(450)가 위치하고 있다. 냉각 부재(450)는 라미네이트 시트(200)에서 상대적으로 열전도율이 높은 제 2 금속으로 이루어진 제 2 접합부(222)에 인접하도록 위치하고 있는 바, 냉각 부재의 위치를 효율적으로 배치함으로써 전지셀 내부의 열을 외부로 빠르게 배출이 가능하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전지케이스는 클래드층으로 이루어진 금속층을 포함함으로써, 전지케이스의 성형성 및 열전도성을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지케이스는 금속층의 적어도 일부에 성형성과 열전도성이 서로 다른 제 1 금속과 제 2 금속이 상호 접합된 클래드 구조를 포함하고, 상기 클래드 구조는 연성 및 전성이 높은 금속과 열전도성이 좋은 금속을 포함하는 바, 파우치형 전지케이스의 성형성이 향상되어 고용량의 전극조립체의 수납이 가능한 전지케이스를 제공할 수 있다.
또한, 전지케이스 일부에 열전도성이 좋은 금속을 포함하기 때문에, 이차전지의 충방전 과정에서, 전지셀 내부에서 발생하는 열에너지를 외부로 빠르게 배출이 가능한 바, 고온현상에 의한 폭발 내지 발화를 방지하여 안전성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 전해액과 함께 내장하기 위한 파우치형 전지케이스로서,
    전지셀을 외부로부터 보호하기 위하여 전지케이스의 외면을 구성하는 고분자 수지의 외부 피복층;
    상기 외부 피복층의 내측에 위치하고, 수분 차단성 및 열전도성을 제공하는 금속층; 및
    상기 금속층의 내측에 위치하고 열융착성을 가진 고분자 수지의 내부 실란트층;
    을 포함하고,
    상기 금속층의 적어도 일부는 성형성과 열전도성이 서로 다른 제 1 금속과 제 2 금속의 클래드층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 클래드층은 제 1 금속과 제 2 금속을 압연에 의해 상호 접합시킨 구조인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은, 제 1 금속으로 이루어진 하나 이상의 제 1 접합층과, 제 2 금속으로 이루어진 하나 이상의 제 2 접합층이, 전지케이스의 두께 방향으로 상호 적층되어 접합 배열되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은, 제 1 금속으로 이루어진 하나 이상의 제 1 접합부와, 제 2 금속으로 이루어진 하나 이상의 제 2 접합부가, 전지케이스의 두께 방향에 수직인 폭 방향으로 상호 인접하여 접합 배열되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은, 제 1 금속으로 이루어진 제 1 접합부와 제 2 금속으로 이루어진 제 2 접합부 중의 적어도 하나의 외면에, 제 3 접합부가 전지케이스의 두께 방향에 수직인 폭 방향으로 상호 인접하여 접합 배열되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 금속은 외부 피복층 또는 내부 실란트층에 대한 소재 친화성이 제 2 금속보다 상대적으로 높고, 상기 제 2 금속은 연성 및 열전도율이 제 1 금속보다 상대적으로 높은 특성을 가진 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 금속은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이고, 상기 제 2 금속은 구리 또는 구리 합금인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 금속층은 제 2 접합층의 상하면에 각각 제 1 접합층들이 적층되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 금속층은 제 2 접합부의 양측 단부에 각각 제 1 접합부들이 배열되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속층 전체의 함량(체적 기준)을 기준으로 제 1 금속의 함량이 제 2 금속의 함량보다 상대적으로 많은 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 금속층의 전체 두께는 20 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나에 따른 전지케이스에 전극조립체 및 전해액이 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제12항에 따른 전지셀 복수 개가 인접 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전지팩은 기상 또는 액상의 냉매로 냉각되는 냉각 부재를 포함하고 있고;
    상기 전지셀의 전지케이스에서 제 2 금속은 제 1 금속보다 상대적으로 열전도율이 높으며;
    상기 냉각 부재는 전지팩 내에서, 제 1 금속으로 이루어진 부위에 비해 상대적으로 제 2 금속으로 이루어진 부위에 인접하도록, 전지셀에 대한 장착 위치가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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