(57)【要約】本発明は、水分浸透に対する長期信頼性が向上した二次電池に関する。本発明によるパウチ型二次電池は、電極リードが取り付けられた電極組立体；及び前記電極リードの一部が外部に露出するように前記電極組立体を収納し、縁部に沿ってシール部が形成されたパウチ包装材を含み、前記シール部の特性長さ（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｌｅｎｇｔｈ）は１０乃至１９ｍｍ２／ｍｍであることを特徴とする。本発明によれば、パウチ型二次電池のシール部に対する特性長さを一定範囲に制限することで、シール部が占める面積による二次電池の容量減少を最大限に抑制するとともに、二次電池の長期使用による水分浸透信頼性を向上させることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パウチ型二次電池であって、
電極リードが取り付けられた電極組立体と、及び
前記電極リードの一部が外部に露出するように前記電極組立体を収納し、縁部に沿ってシール部が形成されたパウチ包装材とを備えてなり、
前記シール部の特性長さが、１０乃至１９ｍｍ２／ｍｍであることを特徴とする、パウチ型二次電池。
【請求項２】
８０％の相対湿度及び２５℃条件で一日間の水分浸透量が、０．４５６６ｐｐｍ／日以下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。
【請求項３】
８０％の相対湿度及び２５℃条件で１５年間の前記シール部を通じた水分浸透量が、２５００ｐｐｍ以下であり、水分浸透による内部抵抗の上昇率が、１０％以内であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパウチ型二次電池。
【請求項４】
前記特性長さが、前記シール部の「シール断面の面積／シール幅」をシール部に沿って積分した値であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載のパウチ型二次電池。
【請求項５】
前記パウチ包装材が、四角形であり、
前記特性長さが、上部シール部、下部シール部、右側シール部及び左側シール部の特性長さを合算した値であることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載のパウチ型二次電池。
【請求項６】
前記パウチ包装材の熱接着層が、変性ポリオレフィン樹脂からなることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項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】
本発明は、二次電池に関し、より詳しくは、水分浸透に対する長期信頼性が向上した二次電池に関する。
【０００２】
本出願は、２０１１年０８月３１日出願の韓国特許出願第１０−２０１１−００８７８０８号及び２０１２年０８月３１日出願の韓国特許出願第１０−２０１２−００９６１３０号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
【背景技術】
【０００３】
ビデオカメラ、携帯電話、ノートパソコンなどの携帯用電気製品の使用が活発になるにつれ、その駆動電源として主に使われる二次電池に対する重要性が増大している。特に、リチウム二次電池は、従来の鉛蓄電池、ニッケル‐カドミウム電池、ニッケル‐水素電池、ニッケル‐亜鉛電池など他の二次電池と比べ、単位重量当たりのエネルギー密度が高く、急速充電が可能であることから、その使用が急増している。
【０００４】
通常充電が不可能な一次電池とは違って、充放電が可能な二次電池は、デジタルカメラ、携帯電話、ノートパソコン、パワーツール、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車、大容量電力貯蔵装置など先端分野の開発とともに、活発な研究が行われている。
【０００５】
二次電池としては、ニッケル‐カドミウム電池、ニッケル‐水素充電池（Ｎｉ‐ＭＨ）、ニッケル‐水素電池、リチウム二次電池などが挙げられる。そのうちのリチウム二次電池は、作動電圧が３．６Ｖ以上であって、携帯用電子機器の電源として使われるか、または複数個を直列で連結して高出力が求められる電気自動車、ハイブリッド自動車、パワーツール、電気自転車、電力貯蔵装置、ＵＰＳなどに使われる。リチウム二次電池は、ニッケル‐カドミウム電池やニッケル‐水素充電池に比べて作動電圧が３倍も高く、単位重量当たりのエネルギー密度の特性にも優れ、その使用が急増している。
【０００６】
リチウム二次電池は、電解質の種類によって液体電解質を使用するリチウムイオン電池と、高分子固体電解質を使用するリチウムイオンポリマー電池とに分けられる。また、リチウムイオンポリマー電池は、高分子固体電解質の種類によって電解液を全く含まない完全固体型リチウムイオンポリマー電池と、電解液を含んでいるゲル型高分子電解質を使用するリチウムイオンポリマー電池とに分けられる。
【０００７】
液体電解質を使用するリチウムイオン電池の場合、殆ど円筒型や角形の金属缶を容器にして密封溶接した形態で使われる。このような金属缶を容器に使用する缶型二次電池は、その形態が固定されるため、それを電源として使用する電気製品のデザインを制約するという短所があり、体積を減らし難い。したがって、電極組立体及び電解質をフィルムからなるパウチ包装材に入れて密封するパウチ型二次電池が開発され使用されている。
【０００８】
図１は、一般的なパウチ型二次電池の断面図である。図示されたように、パウチ包装材１０は下部シート１２と、それを覆う上部シート１１とに分けられる。
【０００９】
前記上部シート１１と下部シート１２との間に収納される電極組立体２０は、正極板２１、負極板２２及び分離膜２３が一定形態で積層された構造を有する。
【００１０】
前記電極組立体２０は、分離膜２３を介在した状態で正極板２１と負極板２２とが順次積層されている発電素子であって、積層型、ゼリーロール型、または積層／折り畳み型構造からなる。
【００１１】
前記ゼリーロール型構造の電極組立体２０を含む二次電池としては、韓国特許公開第２００９−８８７６１号（発明の名称「ゼリーロール型電極組立体を含む二次電池」）及び韓国特許公開第２００７−４７３７７号（発明の名称「ゼリーロール型電極組立体を含む角形二次電池）が開示されている。また、積層／折り畳み型構造の電極組立体２０またはそのような電極組立体２０を含む二次電池としては、韓国特許公開第２００８−３６２５０号（発明の名称「混合型積層及び折り畳み型電極組立体、それを含む二次電池）及び韓国特許登録第０９８７３００号（発明の名称「積層−折り畳み型電極組立体及びその製造方法）が開示されている。
【００１２】
前記電極組立体２０は、それぞれの正極板２１及び負極板２２から延びた正極タブ３１及び負極タブ３２、並びに正極タブ３１及び負極タブ３２と溶接でそれぞれ接合された正極リード４１及び負極リード４２を含む。ここで、前記正極リード４１及び負極リード４２は、外部にある負荷との接続や他の二次電池との電気的連結に使われ、パウチ包装材１０の外部に終端が露出される。図示されていないが、電極リード４１、４２とパウチ包装材１０との封止工程時、リードとパウチ包装材１０との接着力を向上させるため、電極リード４１、４２とパウチ包装材１０との接合界面に接着テープが備えられ得る。
【００１３】
前記電極組立体２０をパウチ包装材１０に収納した後、上部シート１１と下部シート１２とを熱融着すれば、図２に示されたように、パウチ包装材１０の周縁にシール部５０が形成される。前記パウチ包装材１０を構成するフィルムの断面構造は次のようである。
【００１４】
すなわち、前記パウチ包装材１０は、図１に示されたように、熱融着性を有し、封止剤の役割をする熱接着層１３であるポリオレフィン系樹脂層、機械的強度を維持する基材及び水分と酸素のバリアー層の役割をする金属層１４であるアルミニウム層、基材及び保護層として働く外部層１５（通常、ナイロン層）が順次積層された多層膜構造で構成されている。ポリオレフィン系樹脂層として広く使われるものとしては、ＣＰＰ（Ｃａｓｔ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）が挙げられる。
【００１５】
しかし、前記パウチ包装材１０の熱融着部位は、外部の水分浸透に脆弱である。したがって、長期的には水分の浸透を避けられず、浸透した水分は電解液に含まれたＬｉＰＦ６の陰イオンと反応してＨＦを生成し、結果的に負極活物質の退化をもたらす。負極活物質の退化は二次電池の内部抵抗を増加させ、内部抵抗が上昇し過ぎれば二次電池の性能が低下して、それ以上使用できない状態に至ることになる。
【００１６】
パウチ型二次電池は、形態に柔軟性があり、より小さい体積と質量で同じ容量の二次電池が具現できるという長所がある。しかし、缶型と違って、パウチ型は軟質のパウチを容器として使用するため、機械的強度が弱く、密封の信頼性が低くなる恐れがある。したがって、漏液の問題が大きい電解液を使用するリチウムイオン二次電池よりは、主にゲル型や完全固体型リチウムイオンポリマー電池に使用される。
【００１７】
ところが、パウチ型二次電池においても、二次電池の高容量化の要求に応えてより高い容量の電池を製造するためには、相対的に小さいパウチにより大容量を有するように電極組立体と電解質を含ませなければならない。また、電池容量や収容機能とは直接な関係のないパウチ周辺のシール部を段々減らすことが求められる。パウチ包装材のシール幅を減らせば、内部により大容量の電極組立体を収容でき、容量と直接な関係のないシール部自体は減らせるためである。
【００１８】
しかし、シール幅の減少によってシール面積が減れば、パウチの密封信頼性が低下し、外部から水分が浸透して長期的な保存安定性が落ち、それにより二次電池の性能が低下するという問題が発生する。
【００１９】
したがって、二次電池の長期使用に対する水分浸透信頼性を確保するためには、シール部による二次電池の容量減少を最小化しながらも、市場から求められる二次電池の使用期限の間にシール部を通じて浸透する水分量を一定範囲に制限できるシール条件が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、二次電池の長期使用による水分浸透信頼性を向上できるシール条件でパウチ包装材がシールされたパウチ型二次電池を提供することを目的とする。
【００２１】
本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の課題を達成するため、本発明によるパウチ型二次電池は、電極リードが取り付けられた電極組立体；及び前記電極リードの一部が外部に露出するように前記電極組立体を収納し、縁部に沿ってシール部が形成されたパウチ型包装材を含み、前記シール部の特性長さ（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｌｅｎｇｔｈ）は１０乃至１９ｍｍ２／ｍｍであることを特徴とする。
【００２３】
本発明において、前記特性長さは、パウチ包装材の上部シール部、下部シール部、右側シール部及び左側シール部の特性長さを合算した値で定義される。
【００２４】
また、各シール部の特性長さは、該当シール部のシール断面の面積を該当シール部のシール幅に除した値で定義される。ここで、前記シール断面の面積とは、シール部をシール方向に沿って切断したとき、基材として作用する上部及び下部シートの金属層の間に形成された熱融着層の断面面積を意味する。
【００２５】
望ましくは、二次電池の使用期限は、市場の要求に鑑みて１５年以上に設定し、前記特性長さの範囲は、１５年間２５℃及び８０％の相対湿度条件で、シール部を通じて浸透した水分による二次電池の内部抵抗の増加が１０％以内に抑えられるように設定する。
【００２６】
上記のような条件によって特性長さが設定されれば、二次電池が１５年以上苛酷な湿度条件で使用されても、水分浸透によって二次電池の性能が過度に低下することを防止することができる。
【００２７】
ここで、二次電池の内部抵抗の増加が１０％以内に抑えられるためには、二次電池の内部に浸透した水分の濃度を、二次電池に注入された電解質を基準に２５００ｐｐｍ以下に抑えることが望ましい。
【００２８】
１５年間常温及び８０％の相対湿度条件で浸透した水分の濃度が２５００ｐｐｍ以下になるためには、一日間シール部を通じて浸透した水分の量を「２５００ｐｐｍ／（３６５日×１５年）＝０．４５６６ｐｐｍ／日」に抑えることが望ましい。
【００２９】
以下、水分の濃度は、特に言及しない限り、二次電池に注入された電解質の濃度を基準にする。
【００３０】
一方、前記特性長さの範囲において、特性長さが１０未満になれば水分浸透量が１３００ｐｐｍ以下になり、このような程度の水分浸透量は二次電池の寿命にあまり影響を与えない。しかし、シール部の幅が必要以上に広がり、パウチ包装材の全体面積に対してシール部が占める面積が増加するため、二次電池の容量が減少するか又はシール断面の厚さまたは二次電池が必要以上に小くなる。逆に、特性長さが１９を超えれば、水分浸透量が２５００ｐｐｍを超過して二次電池の寿命に悪影響を及ぼす。
【００３１】
本発明において、パウチ包装材の形態は四角形のみに制限されない。したがって、前記特性長さの算出方式が「シール断面の面積／シール幅」をシール部に沿って積分して計算することで一般化できることは、本発明が属した技術分野で通常の知識を持つ者に自明である。
【００３２】
また、特性長さを計算するときは、シール断面を構成する熱融着層以外の他の構成要素は排除する。したがって、電極リードが備えられた側のシール部に対する特性長さを算出するときは、電極リードによるシール断面の厚さの増加は考慮せず、単に熱融着層のみを考慮して特性長さを算出する。したがって、電極リードのある部位では電極リードの断面積をシール断面の面積から除外する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、パウチ型二次電池のシール部に対する特性長さを一定範囲に制限することで、シール部が占める面積による二次電池の容量減少を最大限に抑制するとともに、二次電池の長期使用による水分浸透信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
【図１】従来のパウチ型二次電池の断面図である。
【図２】従来のパウチ型二次電池の平面図である。
【図３】本発明の実施例によってシール部の特性長さを説明するためのパウチ型二次電池の平面図である。
【図４】図３のＩ−Ｉ’線による断面図である。
【図５】本発明の実施例によって、３つの温度条件でパウチ型二次電池の使用期間による水分浸透量の推定結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
【００３６】
まず、図３及び図４を参照してパウチ型二次電池のシール部に対する特性長さの概念から説明する。図３はシール工程を完了した状態のパウチ型二次電池の平面図であり、図４は図３のＩ−Ｉ’線による断面図である。
【００３７】
図３及び図４に示されたように、シール工程が完了したパウチ型二次電池１００の周囲には所定の幅でシール部Ｓが形成される。前記シール部Ｓは、パウチ包装材を構成する上部シートと下部シートとの縁部がシール工程を通じて熱融着される過程で、各シートが当接する部分に形成される熱融着層の帯を意味する。
【００３８】
前記シール部Ｓは、シール位置によって上部シール部Ｓ１、下部シール部Ｓ２、右側シール部Ｓ３及び左側シール部Ｓ４に分けられ、それぞれのシール部Ｓ１〜Ｓ４は一定のシール幅とともに、シール方向に沿って一定のシール断面を有する。
【００３９】
一例として、右側シール部Ｓ３はＷｓ３に該当するシール幅を有する。また、右側シール部Ｓ３をＩ−Ｉ’線に沿って切断して見れば、図４に示されたように、一定のシール断面ＢＳ３を有する。前記シール断面ＢＳ３は一定厚さＴＳ３を有し、シール方向に沿って一定長さＬＳ３を有する。したがって、前記シール断面ＢＳ３は、厚さと長さとの積に該当する面積ＡＳ３を有する。
【００４０】
前記シール断面ＢＳ３の面積ＡＳ３を計算するときには、熱融着層によって占められる領域のみを考慮して計算する。したがって、電極リードＥのある上部シール部Ｓ１及び下部シール部Ｓ２のシール断面の面積を計算するときは、電極リードＥによって占められる領域は除外する。すなわち、電極リードＥが含まれた状態のシール断面の面積を計算した後、電極リードＥの断面積を引いてシール断面の面積を計算する。
【００４１】
上述した右側シール部Ｓ３のシール幅、シール断面の面積、シール断面の厚さ、シール断面の長さなどについての説明は、右側シール部Ｓ３以外の他のシール部に対しても同様に適用可能である。したがって、各シール部に対するシール幅、シール断面の面積、厚さ、長さなどを称するときには、各シール部に与えた部材番号を下付き添字として併記することにする。例えば、上部シール部Ｓ１のシール幅、シール断面の面積、厚さ及び長さはそれぞれＷｓ１、Ａｓ１、Ｔｓ１及びＬｓ１に表す。
【００４２】
本発明では、各シール部毎にシール断面の面積をシール幅に除した値を該当シール部の特性長さ（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ｌｅｎｇｔｈ、「ＣＬ」と略する）として定義する。
【００４３】
すなわち、ｉ番目シール部Ｓｉの特性長さＣＬｉは、以下の数式１で表すことができる。
【数１】
2014525658.tif 000003
【００４４】
したがって、図１に示されたパウチ型二次電池の特性長さは「ＣＬ１＋ＣＬ２＋ＣＬ３＋ＣＬ４」と定義でき、各シール部毎にシール幅ＷＳｉ、シール断面の厚さＴＳｉ及びシール方向の距離ＬＳｉが与えられたとき、特性長さを実際計算した例を下記表１に示した。
【００４５】
下記表１のよれば、特性長さは各シール部の特性長さを合算した値である１５．６６になる。参考までに、特性長さの単位はｍｍ２／ｍｍであり、以下では単位を省略する。
【００４６】
【表１】
2014525658.tif 000004
【００４７】
本発明によれば、シール部Ｓの特性長さはパウチ包装材の内部に浸透する水分量に影響を及ぼす。水分の浸透は主にシール断面を通じて行われるため、シール断面が大きいほど水分浸透量は増加する。また、水分の浸透が行われるためには、水分が拡散を通じてシール幅に該当する長さほど熱融着層を通過しなければならず、シール幅が広いほど水分浸透量は減少する。
【００４８】
上記のような点を考慮し、前記シール部Ｓの特性長さを適切な範囲に調節することが望ましい。特性長さが小さいということはシール断面が小さいか又はシール幅が広いということを意味する。したがって、特性長さが小さいほど水分浸透量は減少する。しかし、特性長さが小さくなれば、二次電池が小さすぎたり又はシール幅が広く、二次電池の容量が低減するようになるため、特性長さに対して適切な下限値を設定することが望ましい。本発明では特性長さの下限値を１０に設定する。このようにすることで、二次電池の大きさに対する市場の要求に適切に応えられるだけでなく、シール幅による二次電池の容量減少を制御することができる。
【００４９】
前記シール部の特性長さが１０未満になれば、二次電池が８０％の相対湿度及び２５℃の温度条件で１５年間使用されたとき、シール部を通じた水分浸透量が１３００ｐｐｍ以下になり、この程度の水分浸透量は二次電池の寿命にあまり影響を与えない。しかし、シール部の幅が必要以上に広がり、パウチ包装材の全体面積に対してシール部が占める面積が増加するため、二次電池の容量が減少するか又はシール部のシール断面の厚さまたは二次電池の大きさが必要以上に小くなる。
【００５０】
一方、特性長さが増加するためには、水分浸透の経路になるシール断面の面積が増加するか、又は、シール断面の面積が同じ場合にはシール幅が減少しなければならない。しかし、このような場合、水分浸透量が増加して二次電池の性能と安全性に問題が生じ得る。したがって、特性長さに対して上限値を適切に設定することが望ましい。
【００５１】
前記特性長さの上限は、市場で求める二次電池の使用期限を考慮して設定する。望ましくは、二次電池の使用期限は市場の要求に鑑みて１５年以上に設定し、前記特性長さの上限は１５年間２５℃及び８０％の相対湿度条件で二次電池が使われたとき、シール部を通じて浸透した水分による二次電池の内部抵抗の増加が１０％以内に抑えられるように設定する。
【００５２】
ここで、二次電池の内部抵抗の増加が１０％以内に抑えられるためには、二次電池の内部に浸透した水分量を二次電池に注入された電解質を基準に２５００ｐｐｍ以下に抑えることが望ましい。
【００５３】
１５年間２５℃及び８０％の相対湿度条件で浸透した水分量が２５００ｐｐｍ以下になるためには、一日間シール部を通じて浸透する水分量を「２５００ｐｐｍ／（３６５日×１５年）＝０．４５６６ｐｐｍ／日」に抑えることが望ましい。
【００５４】
このような条件を満たすためには、パウチ包装材の熱接着層の材質を適切に選択する必要がある。望ましくは、パウチ包装材の熱接着層は無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）のような変性ポリオレフィン樹脂、ポリプロピレンとブチレンとエチレンとの三元共重合体などからなり得る。しかし、本発明がこれらに限定されることはない。
【００５５】
本発明は、上記のような水分浸透条件を満たすために、特性長さの上限を１９に設定する。このようにすることで、二次電池が１５年以上苛酷な湿度条件で使われても、水分浸透によって二次電池の性能が過度に低下することを防止することができる。逆に、シール部の特性長さが１９を超えれば、二次電池が長期間使用されたとき、水分浸透量が２５００ｐｐｍを超えて二次電池の性能に悪影響を及ぼして望ましくない。
【００５６】
前記シール部の特性長さは、二次電池の大きさに特に影響されないが、シール部を除いたセルの面積が１００００ｍｍ２超過、望ましくは２００００ｍｍ２を超過する大型セルに適用されるパラメータとして考慮することができる。上記のような大型セルが使われる用途の一例としては、電気駆動自動車に使われる大型電池、大容量電力貯蔵装置に使われる大型電池、無停電電源装置に使われる大型電池などが挙げられる。
【００５７】
本発明が提案した範囲にシール部の特性長さを制御すれば、シール条件を容易に最適化することができる。すなわち、製造しようとする二次電池の容量と大きさが決まれば、パウチ包装材のシール幅とシール断面の面積を調節してシール部の特性長さが１０〜１９になるようにする。このようにすることで、試行錯誤法（ｔｒｉａｌ ａｎｄ ｅｒｒｏｒ）による実験を繰り返さなくても、二次電池の長期使用による水分浸透信頼性を容易に確保することができる。
【００５８】
一例として、最初の設計条件でシール部の特性長さを算出した結果、その値が２０になったと仮定しよう。このような場合、前記シール部のシール幅を適切に増加させ（例えば、シール幅を１０％増加させる）、前記シール部の特性長さが１９以下になるようにすれば、別途の試行錯誤法による実験を行わなくても二次電池の長期使用による水分浸透信頼性を確保することができる。
【００５９】
他の例として、最初の設計条件でシール部の特性長さを算出した結果、その値が１５になったと仮定しよう。このような場合、特性長さが１０〜１９の範囲に属する値ではあるが、上限値１９とは４の差があるため、シール幅を適切に減少させてシール部の特性長さが１９に近接するように調節することができる。シール幅を減少させてシール部の特性長さを１９に近づければ、所与の二次電池の設計条件で二次電池の容量を最大限に増やしながら、二次電池の長期使用による水分浸透信頼性を確保することができる。逆に、二次電池の使用環境が非常に苛酷な湿度条件である場合、シール部の特性長さを湿度に一層耐えられるように調節することも可能である。すなわち、シール部のシール幅を適切に増加させて特性長さを１０に近く減少させれば、別途の試行錯誤法による実験を行わなくても、シール部の特性長さを望ましい範囲内で調節しながら、二次電池に対する水分浸透耐性を一層増加させることができる。
【００６０】
さらに他の例として、最初の設計条件でシール部の特性長さを算出した結果、その値が８になったと仮定しよう。このような場合、シール部の特性長さは本発明の望ましい実施例による特性長さの範囲から外れた状態であるため、前記シール部のシール幅を減少させてシール部の特性長さを１０以上に増加させることができる。このようにすれば、別途の試行錯誤法による実験を行わなくても、二次電池の長期使用による水分浸透信頼性を確保しながら、シール部のシール幅を減らして二次電池の容量を増加させることができる。
【００６１】
本発明において、パウチ包装材の形態は四角形のみに制限されない。したがって、前記特性長さの算出方式が「シール断面の面積／シール幅」をシール部に沿って積分して計算することで一般化できることは、本発明が属した技術分野で通常の知識を持つ者に自明である。
【００６２】
本発明において、前記パウチ包装材内には電極組立体２００が収納される。前記電極組立体２００は単位セルの組立体からなる。単位セルは、正極活物質がコーティングされた正極板、負極活物質がコーティングされた負極板、及び前記正極板と負極板とを電気的に分離しながらリチウムイオンの移動を許容する分離膜を含む。また、正極活物質及び負極活物質は、正極板及び負極板の片面または両面にコーティングされ得る。また、隣接する単位セルの間には電気的絶縁のための分離膜がさらに介在され得る。単位セルは最外郭電極の極性が同じバイセル構造、または、最外郭電極の極性が逆であるフルセル構造であり得る。
【００６３】
前記電極組立体２００は、単位セルの積層方式によって様々な構造を有し得る。すなわち、前記電極組立体２００は、単純積層構造、積層／折り畳み型構造、ゼリーロール構造などを有し得る。ここで、単純積層構造は、複数の単位セルを順次積層させた構造を意味する。また、積層／折り畳み型構造は、複数の単位セルを帯状の分離膜上に一定間隔で配置した後、ある一方向に折り畳み、折り畳まれた分離膜の間に単位セルを挿入した構造を意味する。また、ゼリーロール構造は、帯状に単位セルを製造した後、単位セルを一定方向に巻き取った構造を言う。
【００６４】
前記電極組立体２００は、それぞれの極板から延びた互いに逆の極性を有する電極タブＦを含む。前記電極タブＦは極板と同じ材質からなり、同じ極性を有する電極リードＥと溶接によって結合される。すなわち、正極に対応する正極タブは正極リードと結合され、負極に対応する負極タブは負極リードと結合される。
【００６５】
前記パウチ包装材の内部には、二次電池の作動のためにリチウム塩を含む電解質が含まれる。このような電解質は、液状型、ゲル型、固体型など本発明が属した技術分野で周知の如何なる形態でも使用できる。
【実施例】
【００６６】
以下、本発明を実験例に基づいて詳しく説明する。しかし、下記の実験例は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲がこれらに限定されることはない。
【００６７】
まず、本発明は、パウチ型二次電池の使用期限による水分浸透量が、使用期間に比例して増加するということを実験的に検証した。
【００６８】
実験のため、放電容量が５Ａｈであって、セルの面積が３００００ｍｍ２（１２０ｍｍ×２５０ｍｍ）であるパウチ型リチウム二次電池と同じパウチの体積及び電解液量を有するサンプルセルを製作した。
【００６９】
二次電池の包装に使われるパウチフィルムは、基材層及び熱接着層がそれぞれアルミニウム及び変性ポリプロピレンからなるものを使用し、サンプルセルのシール部に対する特性長さは１４に計算された。
【００７０】
水分浸透実験は、２５℃、４５℃及び６０℃の３つの温度条件で相対湿度を８０％に維持している大気圧下のチャンバ内に二次電池を放置し、所定の放置期間が経過する度に、各時点毎の電解液内のＨＦ及び水分量を測定する方式で実施した。セル内部に浸透した１モルのＨ２Ｏは２モルのＨＦを生成するため、電解液内の残存水分量とＨＦ量の１／２が外部から浸透した水分量に該当する。
【００７１】
図５には、時間経過による二次電池内部の水分浸透量の変化が示されている。図５に示されたように、３つの温度条件ともに水分浸透量が線形的に増加することが分かる。
【００７２】
本実験では、３つの温度条件における約１００週までの水分浸透量の変化様相を測定したが、１００週の後にも水分浸透量が同様の変化様相を見せると推定される。
【００７３】
水分浸透量は、主に、パウチ包装材の熱融着層内における水分の拡散係数によって決定される。したがって、温度と圧力が一定に維持され、前記熱融着層を通じた水分の拡散メカニズムが安定化して平衡状態に達すれば、前記拡散係数は比例定数と見なしても実験結果の信頼性にはあまり問題ないと考えられる。
【００７４】
次に、上述した水分浸透量の線形的増加特性を用いて、二次電池が１５年間使用されたとき、シール部の特性長さの変化による二次電池の水分浸透量、及びそれに伴う内部抵抗の増加を推定してみることで、本発明が提案した特性長さの有意味性を検証してみよう。
【００７５】
実施例１
放電容量が５Ａであって、セルの面積が３００００ｍｍ２（１２０ｍｍ×２５０ｍｍ）であるパウチ型二次電池を製造した。パウチ型二次電池の基本的な構造は図３に示されたようである。
【００７６】
二次電池の製造に使われたパウチ包装材は、基材層及び熱接着層がそれぞれアルミニウム及び変性ポリプロピレンからなるものを使用した。シール工程を経てパウチ包装材の周辺に形成されたシール部の特性長さを計算した結果、その値は１９であり、８０％の相対湿度及び２５℃の温度条件で一日間二次電池の内部に浸透した水分量は０．４５６６ｐｐｍ／日と測定された。さらに、一日間の水分浸透量に基づいて１５年間の総水分浸透量を比例的に推定した結果、１５年間の水分浸透量は２５００ｐｐｍに計算された。このような水分浸透量の計算結果に基づいて内部抵抗増加率毎の水分浸透量を定義したルックアップテーブルを使用し、抵抗増加程度を予測してみた。前記ルックアップテーブルを参照し、水分浸透量が２５００ｐｐｍである場合に該当する二次電池の抵抗増加分を計算した結果、抵抗増加程度は７．６０％と推定された。
【００７７】
実施例２
二次電池のシール工程中にシール部のシール幅を調節してシール部の特性長さが１８になるように調節したことを除き、実施例１と同じ条件でパウチ型二次電池を製造した。
【００７８】
実施例２による二次電池に対し、８０％の相対湿度及び２５℃の温度条件で一日間二次電池の内部に浸透した水分量は０．４２９２ｐｐｍ／日と測定された。このような一日間の水分浸透量に基づいて１５年間の水分浸透量を比例的に推定した結果、その値は２３５０ｐｐｍに計算された。また、上述したルックアップテーブルを用いて水分浸透量が２３５０ｐｐｍの場合に該当する二次電池の抵抗増加程度を推定してみたところ、７．４０％であった。
【００７９】
実施例３
二次電池のシール工程中にシール部のシール幅を調節してシール部の特性長さが１５になるように調節したことを除き、実施例１と同じ条件でパウチ型二次電池を製造した。
【００８０】
実施例３による二次電池に対し、８０％の相対湿度及び２５℃の温度条件で一日間二次電池の内部に浸透した水分量は０．３５６１ｐｐｍ／日と測定された。このような一日間の水分浸透量に基づいて１５年間の水分浸透量を比例的に推定した結果、その値は１９５０ｐｐｍに計算された。また、上述したルックアップテーブルを用いて水分浸透量が１９５０ｐｐｍの場合に該当する二次電池の抵抗増加程度を推定してみたところ、６．１％であった。
【００８１】
実施例４
二次電池のシール工程中にシール部のシール幅を調節してシール部の特性長さが１４になるように調節したことを除き、実施例１と同じ条件でパウチ型二次電池を製造した。
【００８２】
実施例４による二次電池に対し、８０％の相対湿度及び２５℃の温度条件で一日間二次電池の内部に浸透した水分量は０．３２８７ｐｐｍ／日と測定された。このような一日間の水分浸透量に基づいて１５年間の水分浸透量を比例的に推定した結果、その値は１８００ｐｐｍに計算された。また、上述したルックアップテーブルを用いて水分浸透量が１８００ｐｐｍの場合に該当する二次電池の抵抗増加程度を推定してみたところ、５．３％であった。
【００８３】
実施例５
二次電池のシール工程中にシール部のシール幅を調節してシール部の特性長さが１０になるように調節したことを除き、実施例１と同じ条件でパウチ型二次電池を製造した。
【００８４】
実施例５による二次電池に対し、８０％の相対湿度及び２５℃の温度条件で一日間二次電池の内部に浸透した水分量は０．２３７４ｐｐｍ／日と測定された。このような一日間の水分浸透量に基づいて１５年間の水分浸透量を比例的に推定した結果、その値は１３００ｐｐｍに計算された。また、上述したルックアップテーブルを用いて水分浸透量が１３００ｐｐｍの場合に該当する二次電池の抵抗増加程度を推定してみたところ、４．８％であった。
【００８５】
比較例１
二次電池のシール工程中にシール部のシール幅を調節してシール部の特性長さが２０になるように調節したことを除き、実施例１と同じ条件でパウチ型二次電池を製造した。
【００８６】
比較例１による二次電池に対し、８０％の相対湿度及び２５℃の温度条件で一日間二次電池の内部に浸透した水分量は０．４７４８ｐｐｍ／日と測定された。このような一日間の水分浸透量に基づいて１５年間の水分浸透量を比例的に推定した結果、その値は２６００ｐｐｍに計算された。また、上述したルックアップテーブルを用いて水分浸透量が２６００ｐｐｍの場合に該当する二次電池の抵抗増加程度を推定してみたところ、１０．８０％であった。
【００８７】
比較例２
二次電池のシール工程中にシール部のシール幅を調節してシール部の特性長さが２３になるように調節したことを除き、実施例１と同じ条件でパウチ型二次電池を製造した。
【００８８】
比較例２による二次電池に対し、８０％の相対湿度及び２５℃の温度条件で一日間二次電池の内部に浸透した水分量は０．５４７９ｐｐｍ／日と測定された。このような一日間の水分浸透量に基づいて１５年間の水分浸透量を比例的に推定した結果、その値は３０００ｐｐｍに計算された。また、上述したルックアップテーブルを用いて水分浸透量が３０００ｐｐｍの場合に該当する二次電池の抵抗増加程度を推定してみたところ、１２．３％であった。
【００８９】
比較例３
二次電池のシール工程中にシール部のシール幅を調節してシール部の特性長さが９になるように調節したことを除き、実施例１と同じ条件でパウチ型二次電池を製造した。
【００９０】
比較例３による二次電池に対し、８０％の相対湿度及び２５℃の温度条件で一日間二次電池の内部に浸透した水分量は０．２１９１ｐｐｍ／日と測定された。このような一日間の水分浸透量に基づいて１５年間の水分浸透量を比例的に推定した結果、その値は１２００ｐｐｍに計算された。また、上述したルックアップテーブルを用いて水分浸透量が１２００ｐｐｍの場合に該当する二次電池の抵抗増加程度を推定してみたところ、４．５％であった。
【００９１】
比較例４
二次電池のシール工程中にシール部のシール幅を調節してシール部の特性長さが８になるように調節したことを除き、実施例１と同じ条件でパウチ型二次電池を製造した。
【００９２】
比較例４による二次電池に対し、８０％の相対湿度及び２５℃の温度条件で一日間二次電池の内部に浸透した水分量は０．１８９９ｐｐｍ／日と測定された。このような一日間の水分浸透量に基づいて１５年間の水分浸透量を比例的に推定した結果、その値は１０４０ｐｐｍに計算された。また、上述したルックアップテーブルを用いて水分浸透量が１０４０ｐｐｍの場合に該当する二次電池の抵抗増加程度を推定してみたところ、４．３％であった。
【００９３】
上述した実験例によれば、パウチ型二次電池のシール工程で形成されるシール部の特性長さが１９を超えれば、二次電池が１５年以上長時間使われたとき、水分浸透量が２５００ｐｐｍを超えて水分浸透に対する長期信頼性を確保できないことが分かる。
【００９４】
したがって、パウチ型二次電池の製造時には、シール部の特性長さが１０以上及び１９以下になるようにシール断面の面積及びシール幅を限定し、一日間の水分浸透量が０．４５６６ｐｐｍ／日以下の熱接着層を有するパウチ包装材を使用してシール部を形成することが望ましいことが分かる。
【００９５】
以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
【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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【国際調査報告】
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