(57)【要約】本発明は、第1シートと第2シート；前記第1シート及び第2シートによって密閉され、内部に電極タブを含む電極組立体を収容する収容部が備えられたフレーム部を含む二次電池用パウチ及びこれを含む二次電池を提供する。本発明によれば、二次電池用パウチの構造で大型の電極組立体を収容することのできるフレーム部を含むことにより、高容量及び高剛性の大容量及び大面積の二次電池を実現することができる。【選択図】図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1シートと第2シート;
前記第1シートと第2シートによって密閉され、内部に電極タブを含む電極組立体を収容する収容部が備えられたフレーム部を含む二次電池用パウチ。
【請求項２】
前記フレーム部は、前記フレーム部の一側面に前記電極組立体に含まれた電極タブが貫通する貫通口を含み、
前記電極組立体の電極タブは、前記フレーム部の貫通口を貫通することを特徴とする請求項1に記載の二次電池用パウチ。
【請求項３】
前記フレーム部は、前記フレーム部の一側面に前記電極組立体に含まれた電極タブを収容するタブフレームを含み、
前記電極組立体の電極タブは、前記フレーム部のタブフレームを貫通して固定されることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用パウチ。
【請求項４】
前記電極タブは正極タブ及び負極タブを含み、前記正極タブと負極タブは、電極組立体から同一方向に引き出されたことを特徴とする請求項2又は3に記載の二次電池用パウチ。
【請求項５】
前記フレーム部は、前記フレーム部の対向する二つの側面にそれぞれ前記電極組立体に含まれている電極タブが貫通する貫通口を含み、
前記電極組立体の電極タブは、前記タブフレームを貫通することを特徴とする請求項1に記載の二次電池用パウチ。
【請求項６】
前記フレーム部は、前記フレーム部の対向する二つの側面にそれぞれ前記電極組立体に含まれた電極タブを収容するタブフレームを含み、
前記電極組立体の電極タブは、前記タブフレームを貫通して固定されたことを特徴とする請求項1に記載の二次電池用パウチ。
【請求項７】
前記電極タブは正極タブ及び負極タブを含み、前記正極タブと負極タブは、電極組立体から両方向に引き出されたことを特徴とする請求項5又は6に記載の二次電池用パウチ。
【請求項８】
前記フレーム部は、前記タブフレームから延長されて形成された電極リードをさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の二次電池用パウチ。
【請求項９】
前記フレーム部は第1フレームシートと第2フレームシートを含み、前記第1フレームシート及び第2フレームシートの一側面、又は前記第1フレームシートと第2フレームシートの対向する二つの側面に前記電極組立体に含まれた電極タブが貫通することができる溝を含み、
前記フレーム部は、前記電極タブを含む電極組立体を収容することにより、前記第1フレームシートと第2フレームシートが貼り合せられて形成されることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用パウチ。
【請求項１０】
前記二次電池用パウチは、タブフレームをさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の二次電池用パウチ。
【請求項１１】
前記フレーム部は、第1高分子樹脂層、第2高分子樹脂層、及び前記第1高分子樹脂層と第2高分子樹脂層の間に介在される第1バリア層を含み、
前記第1バリア層は、アルミニウム(Al)；SUS(Steel Use Statinless);鉄(Fe)、炭素(C)、クロム(Cr)及びマンガン(Mn)の合金;鉄(Fe)、炭素(C)、クロム(Cr)及びニッケル(Ni)の合金；銅(Cu)又はその等価物のうち選択された何れか1つ、又はこれらの2種以上の混合物を含むことを特徴とする請求項1に記載の二次電池用パウチ。
【請求項１２】
前記第1高分子樹脂層及び第2高分子樹脂層は、互いに独立的にナイロン、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ウレタン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI) 、無延伸ポリプロピレン(CPP)とフッ素系樹脂からなる群から選択される何れか1つ、又はこれらの2種以上の混合物を含むことを特徴とする請求項11に記載の二次電池用パウチ。
【請求項１３】
前記第2高分子樹脂層の外側面には、第2バリア層をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の二次電池用パウチ。
【請求項１４】
前記第2バリア層は、アルミニウム(Al)；SUS(Steel Use Statinless);鉄(Fe)、炭素(C)、クロム(Cr)及びマンガン(Mn)の合金;鉄(Fe)、炭素(C)、クロム(Cr)及びニッケル(Ni)の合金；銅(Cu)又はその等価物のうち選択された何れか1つ、又はこれらの2種以上の混合物を含むことを特徴とする請求項13に記載の二次電池用パウチ。
【請求項１５】
前記フレーム部の高さは7mm乃至50mmであることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用パウチ。
【請求項１６】
前記第1及び第2バリア層の厚さは1mm乃至5mmである請求項13に記載の二次電池用パウチ。
【請求項１７】
前記第1高分子樹脂層及び第2高分子樹脂層上に表面処理層をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の二次電池用パウチ。
【請求項１８】
前記表面処理層は、シラン系化合物又はシロキサン系化合物であることを特徴とする請求項17に記載の二次電池用パウチ。
【請求項１９】
前記表面処理層は、ヘキサメチルジシラザン(HMDS; hexamethyldisilazane)、トリメチルクロロシラン(TMSCL;trimethyl chlorosilane)、シリコーンオイル(silicone oil)、アミノシラン(amino silane)、アルキルシラン(alkyl silane)、ポリジメチルシロキサン(PDMS ; polydimethyl siloxane) 、及びジメチルジクロロシラン(DDS; dimethyl dichlorosilane)からなる群から選択された何れか1つ、又はこれらの2種以上の混合物であることを特徴とする請求項17に記載の二次電池用パウチ。
【請求項２０】
請求項1に係る二次電池用パウチ及び前記パウチの内部に電極組立体を含む二次電池。
【請求項２１】
請求項20の二次電池を含むことを特徴とする中大型電池モジュール又は電池パック。
【請求項２２】
前記中大型電池モジュール又は電池パックは、電気車(Electric Vehicle、EV) 、ハイブリッド電気車(Hybrid Electric Vehicle、HEV)、及びプラグインハイブリッド電気車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle、PHEV)を含む電気車;電気トラック;電気商用車;又は電力貯蔵用システムの何れか1つ以上の中大型デバイスの電源として用いられることを特徴とする請求項21に記載の中大型電池モジュール又は電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極組立体を収容する収容部が備えられたフレーム部を含む二次電池用パウチ及びこれを含む二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、充放電が可能で、且つ軽いながらもエネルギー密度及び出力密度の高いリチウム二次電池がワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として幅広く用いられている。また、ガソリン車両、ディーゼル車両など化石燃料を用いる既存の内燃機関自動車の大気汚染及び温室効果ガスの問題を解決するための代替方案として、ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)、バッテリー電気自動車(BEV) 、電気自動車(EV)などが提示されているが、リチウム二次電池はこのような内燃機関代替自動車の動力源としても注目されている。
【０００３】
リチウム二次電池は、電解液の種類に応じて液体電解質を用いるリチウムイオン電池と、高分子電解質を用いるリチウムポリマー電池とに分類され、電極組立体が収容される外装材の形状によって、円筒形、角形又はパウチ型に分類される。
【０００４】
このうち、パウチ型は金属層(ホイル)と前記金属層の上面と下面にコーティングされる合成樹脂層の多層膜で構成されるパウチ外装材を用いて外観を構成するため、金属カンを用いる円筒形又は角形よりも電池の重さを著しく減らすことができるので、電池の軽量化が可能であり、多様な形態への変化が可能であるとのメリットがある。
【０００５】
このようなパウチ外装材は、矩形の外装材を一辺の長さ方向に基づいて中間を摺綴して形成された上部外装材と下部外装材からなるが、下部外装材にはプレス(press)加工などを介して電極組立体を収容するための空間部が形成される。下部外装材の空間部には、主に板状の正極、分離膜及び負極が積層された構造の多様な電極組立体が収容される。その次に電解液を注入し、前記下部外装材空間部の周囲の縁部と、これに対応される上部外装材の縁を密着させ、密着された部分を熱融着すると、密封された形態のパウチ型二次電池が形成される。
【０００６】
図1には、従来の代表的なパウチ型二次電池の一般的な構造が分解斜視図として模式的に示されている。
【０００７】
図1を参照すると、パウチ型二次電池1は、電極組立体10、電極組立体10から延長されている電極タブ31、32、電極タブ31、32に溶接されている電極リード51、52、及び電極組立体10を収容する電池ケース20を含むものとして構成されている。
【０００８】
電極組立体10は、分離膜が介在された状態で正極と負極が順次積層されている発電素子であって、スタック型又はスタック/折り畳み型構造からなっている。電極タブ31、32は電極組立体10の各極板から延長されており、電極リード51、52は各極板から延長された複数の電極タブ31、32と、例えば、溶接によってそれぞれ電気的に接続されており、電池ケース20の外部へ一部が露出している。また、電極リード51、52の上下面の一部には、電池ケース20との密封度を高め、且つ電気的絶縁状態を確保するために絶縁フィルム53が付着されている。
【０００９】
さらに、電極タブ31、32が一体に結合されて融着部を形成することによって、電池ケース20の内側上端は電極組立体10の上端面から一定の距離ほど離隔されており、溶着部の電極タブ31、32は、略V字状に折り曲げられている(電極タブと電極リードの結合部位をV -フォーミング(V-forming)41、42部位と称したりもする)。電池ケース20はアルミニウムラミネートシートからなり、電極組立体10を収容することのできる空間を提供し、全体的にパウチ状を有している。二次電池は、電池ケース20の収納部に電極組立体10を内装して電解液(図示せず)を注入した後、電池ケース20の上部ラミネートシートと下部ラミネートシートが接する外周面を熱融着させる過程を介して製造される。
【００１０】
このような二次電池は、自動車用又はエネルギー貯蔵(storage)用中大型サイズの電池に対する需要が高まっており、このような中大型電池は、セルの大型化、高エネルギー化に伴い、引き続き厚くなる傾向に進んでいる。また、電池の並列接続数が少なくなってこそ、コスト削減効果(モジュール、パック組立とセルの単価側面)を享受することができ、セルの大容量化は加速される傾向にある。
【００１１】
このようなセルの大容量化は、一般的なパウチの構造である上部シート及び下部シートの融着構造に収容させる方式では、安定した信頼性を確保し難い問題がある。すなわち、パウチの上部及び下部のシートは、高分子層及びアルミニウムシートが積層された構造であるが、電極組立体の厚さが厚くなるほど、これに対する形状加工時のシート自体にクラックが発生して金属部分が露出され、これにより、セルの寿命が短くなるとの問題が発生するようになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前述した問題を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、二次電池用パウチに大型の電極組立体を収容することのできるフレーム部を含むことにより、高容量及び高剛性の大容量の二次電池を具現することができる二次電池用パウチ、及びこれを含む二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、第1シートと第2シート；前記第1シートと第2シートによって密閉され、内部に電極タブを含む電極組立体を収容する収容部が備えられたフレーム部を含む二次電池用パウチを提供する。
また、本発明は、前記二次電池用パウチ及び前記パウチの内部に電極組立体を含む二次電池を提供する。
さらに、本発明は、前記二次電池を含む中大型電池モジュール又は電池パックを提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、二次電池用パウチの構造で大型の電極組立体を収容することのできるフレーム部を含むことにより、高容量及び高剛性の大容量と大面積の二次電池を具現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のパウチ型二次電池を示す模式図である。
【図２】本発明の第1実施形態に係る二次電池用パウチの分離斜視図である。
【図３】本発明の第2の実施形態に係る二次電池用パウチの分離斜視図である。
【図４】本発明の第3実施形態に係る二次電池用パウチの分離斜視図である。
【図５ａ−５ｂ】前記図3の結合図であって、それぞれのフレームの一側面(図5a)又は両側面(5b)に電極組立体に含まれる電極タブを収容することができるタブフレームを含む二次電池用パウチの模式図である。
【図６】本発明の第1実施形態に係る二次電池用パウチの断面図である。
【図７】本発明の第1実施形態に係る表面処理層を含む二次電池用パウチの側面拡大図である。
【図８】本発明の第1実施形態に係るフレームの構造を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に対する理解を促すために、本発明をさらに詳細に説明する。
本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的且つ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自分の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することができるとの原則に立脚して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈されるべきである。本発明の一実施形態に係る二次電池用パウチは、第1シートと第2シート；前記第1シート及び第2シートによって密閉され、内部に電極タブを含む電極組立体を収容する収容部が備えられたフレーム部を含む。
【００１７】
本発明の一実施形態に係る二次電池用パウチは、大容量及び大面積の電極組立体を収容するためのフレーム部を含むことにより、高容量及び高剛性の大容量二次電池を具現することができる。
【００１８】
以下、図を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的且つ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自分の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することができるという原則に立脚して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈されるべきである。
【００１９】
したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎないだけであり、本発明の技術的思想のすべてを代弁するものではないため、本出願時点においてこれらを代替することができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００２０】
図2乃至図4は、本発明の一実施形態に係る二次電池用パウチの分離斜視図を示した図である。示された図2乃至4を参照すると、本発明に係る二次電池用パウチ100は、第1シート110と第2シート120を含み、前記第1シート110と第2シート120により密閉され、内部に電極タブ141を含む電極組立体200を収容する収容部が備えられたフレーム部130を含み得る。
【００２１】
前記第1シート110及び前記第2シート120は、図2乃至図4に示したように、前記フレーム部130を挟んで対向し配置される構造で具現され、電極組立体の高さを考慮して、前記第1シート110は一定の形状を有するように加工され得る。
【００２２】
前記第1シート110及び前記第2シート120は、一般的に用いられるアルミラミネートシートから形成することが出来、前記フレーム部130と互いに密着されるそれぞれの面には、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、アクリル樹脂、変性アクリル樹脂、エポキシ系樹脂及びフェノール系樹脂からなる群から選択される1種又はこれらの混合物などのシーラント(sealant)層を含み、前記第1シート110及び前記第2シート120は前記フレーム部130とシーリングされて密閉され得る。
【００２３】
また、前記フレーム部130は、前記第1シート110及び前記第2シート120と密着される面に、前記第1シート110及び前記第2シート120のシーラント層と同じ材質のシーリング部150を含み、シーリング部150によって前記第1シート110及び前記第2シート120と密着するようにシーリングし得る。
【００２４】
一方、前記フレーム部130は、前記電極組立体200の収容空間を形成するように側壁を形成することができ、前記側壁は好ましくは4つの側壁から形成され得る。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、前記フレーム部130の高さ(H)は、電極組立体200の高さに応じて多様に変形することができ、好ましくは7mm乃至50mmであり、より好ましくは10mm乃至35mmが好ましい。
【００２６】
一方、前記フレーム部130の幅(W)は、7mm乃至30mm、好ましくは7mm乃至15mmであることが好ましい。このとき、前記フレーム部の幅(W)は、前記フレーム部の高さ(H)に垂直な方向を意味する。
【００２７】
本発明に係るフレーム部を備えた構造では、従来のパウチの成型方法が有する限界を超えて、大容量及び大面積電池に適用することができる。
【００２８】
本発明の第1実施形態によれば、図2に示したように、前記二次電池用パウチ100は、前記フレーム部130の一側面又は前記フレーム部の対向する二つの側面に前記電極組立体200に含まれた電極タブ141が貫通することができる貫通口142を含み、前記電極組立体200の電極タブ141は、前記フレーム部130の貫通口142を貫通することができる。このとき、前記電極組立体200に含まれる電極タブ141は正極タブと負極タブを含み、前記正極タブ及び負極タブは電極組立体200から同一方向又は両方向に引き出され得る。
【００２９】
本発明の第2実施形態によれば、図3に示すように、前記二次電池用パウチ100は、前記フレーム部130の一側面又は前記フレーム部の対向する二つの側面に、前記電極組立体200に含まれている電極タブ141を収容するタブフレーム143をさらに含むことができる。このとき、前記電極組立体200の電極タブ141は、前記フレーム部130のタブフレーム143を貫通して固定され得る。前記二次電池用パウチは、前記タブフレーム143をさらに含むことにより、電極組立体に含まれている電極タブ141を容易に固定することができる。
【００３０】
前記タブフレーム143は、一般的に用いられる絶縁性物質として、特に限定されるものではないが、ポリプロピレン(PP)のような絶縁材料から形成されることが好ましい。
【００３１】
本発明の第3実施形態によれば、図4に示すように、前記二次電池用パウチ100は、前記フレーム部130の一側面又はフレーム部130の対向する二つの側面に形成されたタブフレーム143は、電極リード145を含み得る。前記電極リード145は、前記タブフレーム143から延長されて形成され得、長い金属薄板の形態として、電極組立体200に含まれる電極タブ141と電気的に連結され得る。このように、前記フレーム部130に含まれている電極リード145は、追って組立工程でのフレーム部130の内部に電極組立体200が取り付けられる場合、工程内の組立性を簡素化させることができる。前記電極リード145は、通常の溶接プロセスによってタブフレーム143と連結され得る。
【００３２】
一方、図5a及び5bは、図3の結合状態を示した図である。
【００３３】
すなわち、図5a及び5bは、それぞれのフレームの一側面又は両側面に電極組立体に含まれる電極タブを収容することができるタブフレーム143を含む二次電池用パウチ100の模式図である。
【００３４】
前記タブフレーム143を含む二次電池用パウチ100は、第1シート110及び第2シート120によって密閉され得、図5aのように前記フレーム部130は、前記フレーム部130の一側面に電極組立体に含まれた電極タブ141を収容するタブフレーム143を含むことができ、このとき、前記電極タブは、正極タブ及び負極タブを含み、前記正極タブと負極タブは、電極組立体から同一方向に引き出され得る。
【００３５】
また、図5bのように、前記フレーム部130は、前記フレーム部130の対向する二つの側面にそれぞれ前記電極組立体に含まれた電極タブ141を収容するタブフレーム143を含むことができ、このとき、電極組立体に含まれる正極タブと負極タブは、電極組立体から両方向に引き出され得る。
【００３６】
前記図5a及び5bは、本発明の一実施形態に基づいて、タブフレーム143を含む一例として電極タブを収容することができる方向に対応した模式図を示した図であるが、本発明には様々な実施形態が同様に適用され得る。
【００３７】
図6は、本発明の一実施形態に基づいて、前記タブフレーム143を含むフレーム部130の内部に、電極タブ141を含む電極組立体200が備えられた二次電池用パウチを上から見た断面図である。
【００３８】
図6に示すフレーム部130の側面拡大図のように、本発明の一実施形態によれば、前記フレーム部130は、第1高分子樹脂層170a、第2高分子樹脂層170c 、及び前記第1高分子樹脂層170aと第2高分子樹脂層170cの間に介在される第1バリア層170bを含み得る。
【００３９】
前記第1バリア層170bは、外部から内部に水蒸気やガスが侵入することを防止し、電解液の漏れを防止する役割をすることができる。
【００４０】
前記第1バリア層170bは、前記効果を発揮することができる材質であれば特に限定されるものではなく、好ましくは、アルミニウム(Al)、 SUS(Steel Use Statinless);鉄(Fe)、炭素(C)、クロム(Cr)及びマンガン(Mn)の合金;鉄(Fe)、炭素(C)、クロム(Cr)及びニッケル(Ni)の合金；銅(Cu)又はその等価物のうちから選択された何れか1つ、又はこれらの2種以上の混合物を含むことができる。
【００４１】
本発明の一実施形態によれば、外部からの水分の浸透をさらに防止するために前記第2高分子樹脂層170c上に少なくとも1つの第2バリア層171bをさらに含むことができる。
【００４２】
本発明の一実施形態によれば、前記第1及び第2バリア層の厚さは1mm乃至5mmであることが好ましい。
【００４３】
一方、前記第1高分子樹脂層及び第2高分子樹脂層は、互いに独立的にナイロン、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ウレタン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI)、無延伸ポリプロピレン(CPP)及びフッ素系樹脂からなる群から選択される何れか1つ、又はこれらの2種以上の混合物を含み得る。
【００４４】
本発明の一実施形態によれば、図7に示すように、前記第1シート及び第2シートとの接着力を向上させるために、前記第1高分子樹脂層170aと第2高分子樹脂層170cの外側面に少なくとも1つの表面処理層170d、171dをさらに含むことができる。
【００４５】
例えば、図7に示すように、第1高分子樹脂層170a、第2高分子樹脂層170c、及び前記第1高分子樹脂層170aと第2高分子樹脂層170cの間に介在される第1バリア層170bを含み、前記第1高分子樹脂層170a及び第2高分子樹脂層170cの外側面にそれぞれ第1表面処理層170d及び第2表面処理層171dを含むことができる。
【００４６】
前記表面処理層170d、171dは、シラン系化合物又はシロキサン系化合物であることができ、好ましくは、疎水性を有するシラン系化合物及び/又はシロキサン系化合物であり得る。
【００４７】
前記表面処理層170d、171dは、前記第1高分子樹脂層170a及び/又は第2高分子樹脂層上にコーティングすることにより達成され得る。前記コーティング方法は特に制限されず、公知の方法の中で選択するか新たな適切な方法で行うことができる。例えば、化学蒸着法(CVD、Chemical vapor deposition)又は物理蒸着法(PVD、 Physical vapor deposition)によって導電材の表面に疎水性物質をコーティングすることができ、このような化学蒸着法としては、流動床化学蒸着法、回転立体化学蒸着法、振動化学蒸着法などが用いられてもよく、物理蒸着法としては、スパッタリング、真空年次法、プラズマコーティング法などを用いることができる。前記疎水性物質としては、芳香族化合物やクロリンを含有した溶媒などの物質が用いられ得るが、これよりさらに改善された接着性と疎水性の効果を同時に示すシラン系化合物及び/又はシロキサン系化合物であることが好ましい。
【００４８】
このようなシラン系化合物の例としては、ビニルトリクロロシラン、ビニルトリス(2-メトキシエトキシ)シラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシランなどのビニルシラン化合物; 3-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3-メタクリルオキシプロピルトリエトキシシランなどの(メタ)アクリル系シラン化合物; 2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)-エチルトリメトキシシラン、3-グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシジルオキシプロピルメチルジエトキシシランなどのエポキシ系シラン化合物; N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、 N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルメチルジエトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシランなどのアミノ系シラン化合物、3-クロロプロピルトリメトキシシラン、3-クロロプロピルトリエトキシシランなどのアルコキシ系シラン化合物;及び3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3-メルカプトプロピルトリエトキシシランなどからなる群から選択される1つ又は二つ以上であり得るが、これらだけに限定されるものではない。
【００４９】
また、前記シロキサン系化合物の例としては、ポリメチルシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルビニルシロキサン、ポリメチルフェニルシロキサン、オキシエチレン変性シロキサン、ポリメチルハイドロゲンシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサンなどからなる群から選択される一つ又は二つ以上であり得る。
【００５０】
前記好ましい表面処理層は、ヘキサメチルジシラザン(HMDS; hexamethyldisilazane)、トリメチルクロロシラン(TMSCL;trimethyl chlorosilane)、シリコーンオイル(silicone oil)、アミノシラン(amino silane)、アルキルシラン(alkyl silane)、ポリジメチルシロキサン(PDMS ; polydimethyl siloxane)、及びジメチルジクロロシラン(DDS; dimethyl dichlorosilane)からなる群から選択された何れか1つ、又はこれらの2種以上の混合物であり得る。
【００５１】
このような表面処理層は、化学反応性が非常に低い置換基でなされているため、極性溶媒を含む電気化学的反応系で副反応を誘発しないので、電池の性能低下及び容量の減少を防ぐことができ、優れた撥水性を発揮するため、電池の高温保存性能を大幅に向上させることができる。
【００５２】
又は、前記表面処理層は、SiO2、Al2O3、MgO、BaTiO3、ZrO2及びZnOからなる群から選択された何れか1つ、又はこれらの2種以上の混合物を含む疎水性無機物をさらに含むことができ、これらにのみ限定されるものではない。
【００５３】
一方、本発明のさらに他の実施形態によれば、図8に示すように、前記フレーム部130は、第1フレームシート310と第2フレームシート320を含み、前記第1フレームシート310と第2フレームシート320の一側面又は前記第1フレームシート310及び第2フレームシート320の対向する二つの側面に前記電極組立体に含まれた電極タブが貫通することができる溝330を含むことができ、前記第1フレームシート310と前記第2フレームシート320は、前記電極組立体を収容した後、互いに貼り合せられてフレーム部130を形成することができる。
【００５４】
具体的に検討してみると、先ず、第1フレームシート310及び第2フレームシート320を製造することができ、このとき、それぞれの第1フレームシート310及び第2フレームシート320は、電極組立体の電極タブが貫通される溝330を含むことができる。また、前記溝330を介して貫通された電極組立体の電極タブを別のタブフレーム146で挟んで前記電極タブを容易に固定することができる。
【００５５】
すなわち、前記第1フレームシート310を一時的に固定した状態で電極組立体を挿入し、その後、前記第2フレームシート320を前記第1フレームシート310と貼り合せて覆った後、熱と圧力などで通常の方法でシーリングすることができる。
【００５６】
前記第1フレームシート310及び第2フレームシート320は、前記フレーム部130と同様に、それぞれ第1高分子樹脂層170a、第2高分子樹脂層170c、及び前記第1高分子樹脂層170aと第2高分子樹脂層170cの間に介在される第1バリア層170bを含むことができる。
【００５７】
また、本発明は、前記二次電池用パウチ及び前記パウチ内部に電極組立体を含む二次電池を提供することができる。
【００５８】
前記二次電池はリチウム二次電池であることが好ましいが、これに限定されない。
【００５９】
本発明で適用される電極組立体は、長いシート型の正極と負極を分離膜が介在された状態で巻取した構造のゼリーロール(巻取型)電極組立体、所定の大きさの単位で切り取りした多数の正極と負極を分離膜を介在した状態で順次に積層したスタック型(積層型)電極組立体に区分される。好ましくは、スタック型構造とスタック/折り畳み型の構造を挙げることができる。前記スタック型構造は、当業界に公知されているので、本明細書でこれに対する説明は省略する。前記スタック/折り畳み型構造の電極組立体に対する詳細な内容は、本出願人の韓国特許出願公開第2001-0082058号、第2001-0082059号及び第2001-0082060号に開示されており、前記出願は、本発明の内容に参照として組み込まれる。
【００６０】
以下では、前述した本発明に係るパウチに挿入される電極組立体を構成する構成要素の具体的な材料や構成上の特徴を説明する。
【００６１】
正極構造
本発明において、前記単位電極は正極又は負極に区別され、フルセルとバイセルは、前記正極及び負極をその間に分離膜を介在させた状態で相互結合させて製造される。正極は、例えば、正極集電体上に正極活物質、導電材及びバインダーの混合物を塗布した後、乾燥及びプレッシングして製造され、必要に応じては前記混合物に充填剤をさらに添加することもある。
【００６２】
[正極集電体]
前記正極集電体は、一般的に3〜500μｍの厚さに作製する。このような正極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発することなく高い導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、又はアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが用いられ得る。集電体は、その表面に微細な凹凸を形成し、正極活物質の接着力を向上させ得て、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態が可能である。
【００６３】
[正極活物質]
前記正極活物質は、リチウム二次電池である場合、例えば、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)などの層状化合物や、1又はそれ以上の遷移金属で置換された化合物;化学式Li1+xMn2-xO4 (ここで、xは0〜0.33である)、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2などのリチウムマンガン酸化物;リチウム銅酸化物(Li2CuO2) ; LiV3O8 、LiFe3O4、V2O5、Cu2V2O7などのバナジウム酸化物;化学式LiNi1-xMXO2 (ここで、M = Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B又はGaであり、x = 0.01〜0.3である)で表されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物;化学式LiMn2-xMxO2 (ここで、M = Co、 Ni、 Fe、Cr、Zn又はTaであり、x = 0.01〜0.1である)、又はLi2Mn3MO8(ここで、M = Fe、 Co、Ni、Cu又はZnである)で表されるリチウムマンガン複合酸化物;化学式のLiの一部がアルカリ土金属イオンで置換されたLiMn2O4;ジスルフィド化合物;Fe2 (MoO4)3などが挙げられるが、これらだけに限定されるものではない。
【００６４】
前記導電材は、一般的に正極活物質を含んだ混合物全体の重量を基準として1乃至50重量％で添加される。このような導電材は当該電池に化学的変化を誘発すること無く導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サマーブラックなどのカーボンブラック;炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが用いられ得る。
【００６５】
前記バインダーは、活物質と導電材などの結合と集電体に対する結合に助力する成分であり、一般的に正極活物質を含む混合物全体の重量を基準として1乃至50重量％で添加される。このようなバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブチレンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などが挙げられる。
【００６６】
前記充填剤は、正極の膨張を抑制する成分として選択的に用いられ、当該電池に化学的変化を誘発することの無い繊維状材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体;ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が用いられる。
【００６７】
負極構造
負極は負極集電体上に負極活物質を塗布、乾燥及びプレッシングして製造され、必要に応じて前記のような導電材、バインダー、充填剤などが選択的にさらに含まれ得る。
【００６８】
[負極集電体]
前記負極集電体は、一般的に3〜500μｍの厚さに作製される。これらの負極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発すること無く導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム-カドミウム合金などが用いられ得る。また、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態で用いることができる。
【００６９】
[負極活物質]
前記負極活物質は、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素; LixFe2O3 (0 = x = 1)、LixWO2(0 = x = 1)、SnxMe1-xMe'yOz(Me：Mn、Fe、Pb、Ge; Me'：Al、B、P、 Si、周期表の1族、2族、3族元素、ハロゲン；0<x = 1;1=y= 3;1=z=8)などの金属複合酸化物;リチウム金属;リチウム合金;ケイ素系合金;錫系合金;SnO、SnO2、PbO 、 PbO2 、Pb2O3 、Pb3O4、Sb2O3 、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4 、and Bi2O5などの金属酸化物;ポリアセチレンなどの導電性高分子; Li-Co-Ni系材料などを用いることができる。
【００７０】
[分離膜]
前記フルセルは、長い長さの分離膜シート上に位置させた後、重畳部には分離膜シートが介在される構造で巻き取るところ、各フルセルは、分離膜フィルムが介在された状態で正極と負極が互いに対面するように積層しなければならない。前記分離膜シートは、巻き取り後電極組立体を一度包み込むだけの延長された長さを有することができ、分離膜シートの最外殻末端は熱溶着されるか、テープが貼られて固定され得る。例えば、熱溶接機や熱板などを仕上げられる分離膜シートに接触させ、分離膜シート自体が熱により溶融して接着固定されるようにするものである。これにより、圧力が続けて維持されるようにすることができ、電極と分離膜シートの間の安定した界面接触を可能とする。
【００７１】
前記分離膜シート又はセルの正極と負極の間に介在される分離膜は、絶縁性を示し、イオンの移動が可能な多孔性構造であれば、その素材が特に制限されるものではなく、前記分離膜又は分離膜シートは同一の材料であり得るし、そうでないこともあり得る。
【００７２】
前記分離膜や分離膜シートは、例えば、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が用いられてもよく、分離膜や分離膜シートの気孔直径は、一般的に0.01〜10μｍであり、厚さは一般的に5〜300μｍである。このような分離膜や分離膜シートには、例えば、耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー;ガラス繊維又はポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが用いられる。電解質としてポリマーなどの固体電解質が用いられる場合には、固体電解質が分離膜を兼ねることもある。好ましくは、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、又はこれらのフィルムの組み合わせによって製造される多層フィルムやポリビニリデンフルオライド(polyvinylidene fluoride) 、ポリエチレンオキサイド(polyethylene oxide)、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、又はポリビニリデンフルオライドヘキサフルオロプロピレン(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene)共重合体などの高分子電解質用又はゲル状高分子電解質用高分子フィルムであり得る。
【００７３】
前記分離膜は、フルセル又はバイセルを構成するために、熱融着による接着機能を有していることが好ましく、前記分離膜シートは必ずそのような機能を有する必要はないが、巻き取り工程を容易に行うためには、接着機能を有するものを用いることが好ましい。
【００７４】
また、本発明では、フルセル又はバイセルを構成するため、1つの分離膜に電極を配置し、これを一方向に巻き取るか、ジグザグ方向に巻き取った形態などの構造を挙げて例示したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、多数の電極の間に別の分離膜を介在し積層した形態でラミネーションする構造も適用され得ることはもちろんである。
【００７５】
本発明に係る二次電池は、これを単位電池とする中大型電池モジュール又は電池パックに適用され得る。前記中大型電池モジュール又は電池パックは、電気車(Electric Vehicle、EV) 、ハイブリッド電気車(Hybrid Electric Vehicle、 HEV)、及びプラグインハイブリッド電気車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle、PHEV)を含む電気車;電気トラック;電気商用車;又は電力貯蔵用システムの何れか1つ以上の中大型デバイスの電源として用いることができる。
【００７６】
中大型電池モジュールは、多数の単位電池をシリアル方式又はシリアル/パラレル方式で接続し、高出力・大容量を提供するように構成されており、それについては当業界に公知なので本明細書では関連説明を略する。
【００７７】
前述したような本発明の詳細な説明では、具体的な実施形態に関して説明した。しかし、本発明の範疇から外れない限度内では、多様な変形が可能である。本発明の技術的思想は、本発明の記述した実施形態に限って定められてはならず、特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものによって定められなければならない。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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