(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部樹脂層を含むラミネートシートからなる上部ケース及び下部ケースと、上記上部ケース及び下部ケースに収納される正極、セパレータ及び負極を含むパウチ型二次電池において、
上記二次電池の上部ケース及び下部ケースにおける上部シール部、下部シール部及び両側面のシール部は、外側の厚みが内側の厚みよりも薄く、段差を有し、
上記段差は、内側から外側まで不連続的に少なくとも２段形成されるものであって、
上記段差は垂直であり、
上記シール部の最外側の内部樹脂層の厚さは、熱圧着されていない内部樹脂層の厚さの３〜５０％の厚さであり、
上記シール部の最内側の内部樹脂層の厚さは、熱圧着されていない内部樹脂層の厚さの５０〜９５％の厚さであることを特徴とするパウチ型二次電池。
【請求項２】
上記シール部の幅は、３〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のパウチ型二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年５月２１日に韓国特許庁に提出した韓国特許出願第１０-２００９-００４４３１８号を優先権として主張し、その内容は本明細書に含まれる。
【０００２】
本発明は、耐水性の高いパウチ型二次電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
二次電池は、充放電が可能な正極/セパレータ/負極構造の電極組立体が、電解質が含浸された状態で円筒型又は角型などの金属缶や樹脂層および金属層を含むラミネートシートのケースに内蔵されている構造で形成されている。電極組立体は、構造により 、円筒型(巻回型)乃至ジェリーロール(Ｊｅｌｌｙ-Ｒｏｌｌ)型電極組立体、所定大きさの単位で切った複数の正極と負極をセパレータを介した状態で順次積層したスッタク型(積層型)電極組立体、所定単位の正極と負極をセパレータを介した状態で積層したバイセル(Ｂｉ-ｃｅｌｌ)又はフールセル(Ｆｕｌｌ ｃｅｌｌ)を巻回した構造のスタック/フォールディング型電極組立体などに分けられる。
【０００４】
上記電池の構造において、円筒型電池は構造的安定性に優れ、ラミネートシートケースを使った電池は軽量で且つ製造が容易であるという利点を有している。ところで、近年、電子機器の軽薄小型化の傾向と中大型電池パックの重量減少の必要性などが要求されつつ、ラミネートシートを使う電池の使用量が急激に増加している。このようなラミネートシートを使う電池は、ケースの形状からパウチ型二次電池とも呼ばれている。
【０００５】
図１には、ラミネートシートを電池ケースとして使用する一つの二次電池(以下、'パウチ型二次電池'とする。)の製造と関連した分解斜視図が示されている。
【０００６】
図１を参照すると、パウチ型二次電池１００は、高分子樹脂とアルミニウムのラミネートシートからなるパウチ型電池ケース２００に、正極/セパレータ/負極でなる電極組立体３００を装着した後、電極リード４１０、４２０を電池ケース２００の上端に露出させた状態で結合させて作製する。
【０００７】
電池ケース２００は、収納部２１０が形成されている下部ケース２２０と上部覆い２３０とからなっており、下端が一体になっている折り返し式構造でなっている。
【０００８】
収納部２１０に電極組立体３００を安着させた状態で下部ケース２２０の上端２４０および両側外周面２５０と上部覆い２３０の接触面を接着させて封止することになる。これにより、電池の組み立て後電池ケース２００の上端２４０および両側外周面２５０は 密封部分(シール部)を形成することになる。
【０００９】
電極リード４１０、４２０には、電極組立体３００から突出しているそれぞれの電極タブ３１０、３２０が接続されている。電池ケース２００と電極リード４１０、４２０との結合部分には電解液の漏れを防止し、空気中の水分が電池内に浸透することを防止し、電極リード４１０、４２０の電気的絶縁性を担保するために、密封フィルム５００が設けられている。
【００１０】
図２には、他形態のパウチ型二次電池の例として、電極リードが電池ケースの上部と下部とにそれぞれ突出しているパウチ型二次電池の斜視図が示されている。
【００１１】
図１におけるパウチ型二次電池と比べ、図２におけるパウチ型二次電池１０１は、電極リード４１１、４２１が上部と下部にそれぞれ位置し、電池ケースが互いに分離されている形態の下部ケース２２１と上部ケース２３１で形成されているという点に差がある。そのために、電池ケースは、下部ケース２２１と上部ケース２３１が熱圧着によりそれぞれ上部シール部２４１、下部シール部２６１および両側面シール部２５１、２７１が形成される。収納部２１１は、上部ケース２３１又は下部ケース２２１のみに形成することも、両側ケース２２１、２３１の両方に形成することもできる。
【００１２】
図３には、パウチ型二次電池において電池ケースとして一般的に用いられるラミネートシートのシール部を形成する過程およびラミネートシートが接合された断面を模式的に示されている。
【００１３】
図３を参照すると、ラミネートシート１０は、最外側を形成する外部樹脂層１１、物質の貫通を防止する金属層１２および密封のための内部樹脂層１３で構成されている。
【００１４】
外部樹脂層１１は、外部から電池を保護する役割をするので、厚さに比べ優れた引張強度と耐候性などが要求され、一般的に延伸ナイロンが多く使用されている。金属層１２は、空気、湿気などが電池の内部に流入することを防止する役割をし、一般的にアルミニウム(Ａｌ)が多く使用されている。内部樹脂層１３は、電極組立体を内蔵した状態で印加された熱と圧力によって相互熱圧着されて密封性を提供する役割をし、一般的にＣＰＰ(無延伸ポリプロピレン)が多く使用されている。
【００１５】
このような多層ラミネート構造を有する電池ケースシート１０は、シール部で内部樹脂層１３が互いに対向する構造でなり、このような内部樹脂層１３は、熱圧着により互いに接合される。この場合、ラミネートシートが接合された端部から内部樹脂層１３が外部に露出するが、このように露出した内部樹脂層１３は主に高分子樹脂からなっているため、水分が浸透し易い。このように浸透した水分は、電池内部で副反応を引き起こして寿命を低下させ、電池ケースの金属層１２を酸化させ、シール部の接着強度を弱めると同時に、電解液の漏れの可能性を誘発させるなど電池安定性の面で良くない問題点をもたらす。また、長時間の使用時に電池の寿命および安定性を阻害する要因としても作用する。したがって、このような水分の浸透および電解液の漏れを防止するための様々な試みが行われている。
【００１６】
例えば、特許文献１には、ラミネートフィルム同士が接合される側端部を熱加圧圧縮成型して金属膜(遮断性金属層)同士を相互接触させて、内側に位置する樹脂膜(内部樹脂層)が前記金属膜により被覆されているラミネートシートが開示されている。
【００１７】
しかしながら、上記の技術は、熱加圧圧縮成型で金属膜を単純に接触させることに過ぎないので、金属膜の接合が堅固でなくて十分な耐水性を発揮し難く、長時間の使用時に金属膜の接合が弱くなり、再度分離してしまうという問題点がある。
【００１８】
特許文献２には、一対のラミネートフィルム の一方のフィルムの周縁部を他方のフィルムの周縁部よりも外方に延設し、上記延設部分の先端部を他方のフィルムの周縁部側に折り返して突き合わせ部分にレーザ溶接を行って、最外層はレーザ光の熱により揮発され、双方の金属層の端部同士を溶融させて一体化させることにより、内側樹脂層の露出による電解液の漏れおよび水分浸透を防止する技術が開示されている。
【００１９】
しかしながら、このような方法は、一方のフィルムが他方のフィルムを密封するに十分に精密に折り返される必要があるので、工程上高度な精度が要求され、工程が追加される特性のため、電池の製造コストが高くなるという問題点がある。
【００２０】
また、特許文献３には、金属層と熱圧着層を積層した後に電池ケースの内部へ向かう熱圧着部の一部を除去して金属箔を露出させ、シールする時内部熱圧着フィルムの熱圧着と上記露出金属層とを溶接して二重にシールする技術が開示されている。  しかしながら、このような方法は、二重シールをしなければならないので、工程が複雑であり、高コストになるという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開第２００４-０８７２３９号公報
【特許文献２】特開第２００４-０５５１５４号公報
【特許文献３】特開第２０００-２２３０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決することを目的とする。
【００２３】
本出願の発明者らは様々な実験と研究を重ねた結果、シール部の外側末端に段差を形成すると、水分浸透による電池内の副反応による電池内部物質の腐食現象を根本的に防止でき、それにより電池の寿命および安定性の向上を確保できることを確認し、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、内部樹脂層を含むラミネートシートからなる上部ケース及び下部ケースと、上部ケース及び下部ケースに収納される正極、セパレータ及び負極を含むパウチ型二次電池において、
二次電池の上部ケース及び下部ケースにおける上部、下部及び両側面のシール部の厚さが、外側が内側に比べより薄い段差を有し、段差は、内側から外側まで不連続的に少なくとも２段形成されるものであって、段差は垂直であり、シール部の最外側の内部樹脂層の厚さは、熱圧着されていない内部樹脂層の厚さの３〜５０％の厚さであり、シール部の最内側の内部樹脂層の厚さは、熱圧着されていない内部樹脂層の厚さの５０〜９５％の厚さであることを特徴とするパウチ型二次電池を提供する。
【００２５】
本発明のパウチ型二次電池において、上記段差は、内側から外側まで不連続的に１段以上形成されることを特徴とするパウチ型二次電池を提供する。
【００２６】
本発明のパウチ型二次電池において、上記段差は、内側から外側まで連続的に形成されることを特徴とするパウチ型二次電池を提供する。
【００２７】
本発明のパウチ型二次電池において、上記シール部の最外側内部樹脂層の厚さは、熱圧着されていない内部樹脂層厚さの３〜５０％であることを特徴とするパウチ型二次電池を提供する。
【００２８】
本発明のパウチ型二次電池において、上記シール部の最内側内部樹脂層の厚さは、熱圧着されていない内部樹脂層厚さの５０〜９５％であることを特徴とするパウチ型二次電池を提供する。
【００２９】
本発明のパウチ型二次電池において、上記シール部は、その幅が３〜２０ｍｍであることを特徴とするパウチ型二次電池を提供する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は、簡易な作製工程でシール部分の耐水性および密封性をより一層向上させることができ、製造コストを低減する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の代表的なパウチ型二次電池の一般的な構造を示す斜視図である。
【図２】従来の代表的なパウチ型二次電池の一般的な構造を示す斜視図である。
【図３】パウチ型二次電池に一般的に用いられるラミネートシートのシール部を形成する過程を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施例を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施例を示す斜視図である。
【図７】シール部に段差を形成した場合と形成しない場合における、時間の経過によるフッ化水素(ＨＦ)の発生量を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００３３】
本発明は、
正極、セパレータおよび負極を含むパウチ型二次電池において、
上記二次電池のシール部は、厚さが、外側が内側に比べてより薄い段差を有することを特徴とするパウチ型二次電池に関する。
【００３４】
すなわち、本発明は、正極/セパレータ/負極構造の電極組立体をパウチ型電池ケースに収納した後、上記電池ケースを熱圧着シールして製造されるパウチ型二次電池において、上記熱圧着シーリングによって形成されるシール部は、その厚さが、外側が内側に比べてより薄いように段差を付与して形成されることを特徴とするものである。
【００３５】
上記"外側"とは、電池ケースの中央に位置した電極組立体の収納部を基準にこれから相対的により遠く離れたところ又は部分を言い、"内側"とは、その反対のところ又は部分を言う。
【００３６】
下記数式１から分かるように、シール部を通じた水分の浸透量は、外部と接する内部樹脂層の断面積(Ｌ*Ｔ)に比例するが、本発明は、シール部に段差を形成することにより、内部樹脂層の厚さ(Ｔ)において外側を内側より薄く構成して耐水性を強化したものである。
［数１］
物質移動速度(Ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａｔｅ)＝Ｄ*△Ｃ/Ｗ*Ｌ*Ｔ
【００３７】
ここで、Ｄ:拡散係数(Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ)、△Ｃ:濃度差、Ｗ:距離(Ｐｏｓｉｔｉｏｎ)、Ｌ:内部樹脂層の断面幅、Ｔ:内部樹脂層の断面の高さ(厚さ)である。
【００３８】
即ち、本発明において、段差は、ラミネートシートの内部樹脂層が外部に最小限露出するようにして電池の耐水性および密封性を強化するために形成されるものである。ラミネートシートが接合された端部から内部樹脂層が外部に露出するが、このように露出した内部樹脂層は、主に高分子樹脂からなっているため、水分浸透が容易である。このように浸透した水分は、電池内部物質と電池ケースの金属層を酸化させ、シール部の接着強度を弱め、電解液の漏れの可能性を誘発させるなど、電池安全性の面で良くない問題点をもたらし、長時間の使用時、電池の寿命および安定性を阻害する要因として作用する。具体的に、電解液にＬｉＰＦ６リチウム塩が含まれている場合、ＬｉＰＦ６はＬｉ＋とＰＦ６−のイオン形態で存在しなければならないが、これとは異なり、副反応が起きてその副産物として不安定なＰＦ５が生成され、これは、Ｈ２Ｏと反応してフッ化水素(ＨＦ)を形成する。ＨＦはＳＥＩ層を破壊させ、正極の分解(ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ)をもたらし、このような現象は高温でより顕著に発生する。
【００３９】
したがって、内部樹脂層の厚さを薄く形成することにより、耐水性を強化することができる。
【００４０】
但し、内部樹脂層の厚さを無条件的に薄く形成することは望ましくない。内部樹脂層が、薄ければ薄いほど内部の電解液が外部に漏れ易くなるのみでなく、金属層同士又は金属層と電解液間に接触が起こる恐れがあり、電池絶縁性の面で非常に良くないためである。
【００４１】
これにより、本発明では、内側と外側の厚さ偏差を有する段差を形成することで、この問題を同時に解決しようとする。即ち、外側は、比較的薄い厚さで形成して耐水性を強化し、内側は、外側に比べて相対的に厚く形成して電池の絶縁性および密封性を確保する。
【００４２】
本発明において、上記段差は種々の方法により形成することができる。
【００４３】
シール部の外側を内側に比べて相対的により大きいシーリング圧力下でシールすることにより形成しても良く、本発明の一実施例でのように、段差が形成されたローラによって熱圧着させる方法、又は段差が形成されたバー(ｂａｒ)によって熱圧着させる方法を用いることもできる(即ち、形成しようとする段差の形状と同一な形態のローラ或いはバーを使用してラミネートシートを熱圧着すると、電池ケースのシーリングと同時に段差を容易に形成することができる。)。
【００４４】
図４〜図６に示すように、電池ケースの段差は、内側から外側まで不連続的に１段で形成しても良いが、不連続的に１段以上形成しても良い。また、段差は内側から外側まで連続的に形成しても良い。
【００４５】
本発明において、上記段差は、内側の厚さが外側より薄いことから、図４〜図６に示すように、高低の差が存在すれば、その形状や形には制限がない。
【００４６】
本発明において、上記段差と関連したシール部の厚さは特に制限されないが、上記シール部の最外側の内部樹脂層の厚さは、熱圧着されていない内部樹脂層厚さの３〜５０％の範囲で形成されることが望ましい。５０％を超えると耐水性が低くなって良くなく、３％未満であるとラミネートシートの金属層が相互接触することになり、電池絶縁性の面で良くない。
【００４７】
なお、上記シール部の最内側の内部樹脂層の厚さは、熱圧着されていない内部樹脂層厚さの５０〜９５％の範囲で形成されることが望ましい。５０％未満であると電解液の漏れを防ぎ難く、又は電池絶縁性の面で良くなく、９５％を超えると密封性が低下する恐れがある。
【００４８】
通常、電池ケースとして使用されるラミネートシートの熱圧着前に内部樹脂層は０.５〜５０μｍの厚さを有する。
【００４９】
上記シール部の幅は特に制限されないが、通常３〜２０ｍｍであるものが電池の製造に好適である。
【００５０】
なお、本発明は、正極、セパレータ、および負極を順に交互積層して電極組立体を製造する段階と、
上記電極組立体をパウチ型電池ケースに収納する段階と、
上記電池ケースを熱圧着して電池ケースにシール部を形成する段階と、を含むパウチ型二次電池の製造方法において、
上記電池ケースの熱圧着時に、上記シール部の厚さが、外側が内側に比べてより薄いように段差を付与することを特徴とするパウチ型二次電池の製造方法に関するものである。
【００５１】
本発明の製造方法において、上記シール部は、段差が形成されたローラによって熱圧着されて形成されても良く、段差が形成されたバーによって熱圧着させる方法を用いても良い(即ち、形成しようとする段差の形状と同一な形態のローラ或いはバーを使用してラミネートシートを熱圧着すると、電池ケースのシーリングと同時に段差を容易に形成することができる。)。また、シール部の外側を内側に比べて相対的により大きいシーリング圧力下でシールすることにより形成しても良い。
【００５２】
以下、図面を参照して本発明の一実施例をより詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００５３】
図４には、本発明の一実施例によりシール部に段差が形成されているパウチ型二次電池が模式的に示されている。
【００５４】
図４を参照すると、パウチ型二次電池１００ａは、電池ケース２０１ａの上部と下部にそれぞれ電極リード４１１ａ、４２１ａが互いに対称的に形成されている構造であって、相互分離されている上部ケース２３１ａと下部ケース２２１ａとが、電極組立体(図示せず)を内蔵した状態で、段差が形成されたローラを使用して、熱圧着させて製造される。この際、シール部の末端に段差が形成される。熱圧着により形成された上部及び下部シール部２４１ａ、２６１ａと両側面のシール部２５１ａ、２７１ａには、それぞれ段差６００、７００が上下に形成されている。
【００５５】
上記のように、シール部の末端に段差を形成すると、内部樹脂層１３が外部に露出する面積を減らすことができると共に、外部に露出しない内部樹脂層１３は厚く形成できる。
【００５６】
図５および図６は、本発明の又他の実施例の段差形状を示す。本発明において、段差は、図５のように不連続的な段差が２つ以上形成されても良く、図６のように数多い段差が連続的に形成されても良い。
【００５７】
図７から分かるように、本発明によると、シール部に段差を形成しないものより耐水性が強化され、時間の経過による電池内部のフッ化水素(ＨＦ)の発生量も減少することも分かる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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