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1. WO2019050177 - POUCH-TYPE SECONDARY BATTERY

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명세서

발명의 명칭

기술분야

1   2   3   4  

배경기술

5   6   7   8   9   10   11   12  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

13   14  

과제 해결 수단

15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30  

발명의 효과

31   32   33  

도면의 간단한 설명

34   35   36   37   38   39   40   41   42  

발명의 실시를 위한 형태

43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83   84   85   86   87  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15  

도면

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

명세서

발명의 명칭 : 파우치 형 이차 전지

기술분야

[1]
관련출원과의 상호인용
[2]
본 출원은 2017년 09월 07일자 한국특허출원 제10-2017-0114613호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
[3]
기술분야
[4]
본 발명은 파우치 형 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 케이스의 내부에서 기체가 발생하여 압력이 증가하는 상황에서, 전기적인 연결이 완전히 차단되기 전에 미리 사용자가 교체 시기를 알 수 있는 파우치 형 이차 전지에 관한 것이다.

배경기술

[5]
물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(Cell, Battery)는 각종 전자 기기로 둘러싸여 있는 생활 환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못하거나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.
[6]
이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학 전지인 일차 전지와 이차 전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차 전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지이다. 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 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
[7]
리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층되어 형성된다. 그리고 이들의 재료는 전지수명, 충방전 용량, 온도특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다. 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극의 흑연 전극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.
[8]
일반적으로 양극/분리막/음극의 3층 구조, 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 5층 구조로 적층된 단위 셀들이 모여, 하나의 전극 조립체가 된다. 그리고 이러한 전극 조립체는 특정 케이스에 수용된다.
[9]
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 형태가 일정하지 않은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 형태가 일정한 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
[10]
한편, 이차 전지는 외부 충격에 의한 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의한 발열과 이로 인한 전해질 분해, 열폭주 현상 등 여러 가지 문제로 안전성을 위협받는다. 특히, 이차 전지의 폭발은 여러 가지 원인에서 비롯되지만 전해질 분해에 따라 이차 전지 내부의 기체 압력 증가도 하나의 원인이 된다.
[11]
구체적으로, 이차 전지를 반복적으로 충방전하면, 전해질과 전극 활물질에 의한 전기화학적 반응으로 기체가 발생한다. 이 때, 발생한 기체는 이차 전지의 내부 압력을 상승시켜 부품간의 결합력 약화, 이차 전지의 케이스 파손, 보호회로의 조기 작동, 전극의 변형, 내부 단락, 폭발 등의 문제를 발생시킨다. 따라서, 캔 형(Can Type)의 이차 전지의 경우에는, CID 필터 및 안전 벤트와 같은 보호 부재가 마련되어, 케이스의 내부의 압력이 증가하면 전기적 연결을 물리적으로 차단하였다. 그러나, 종래의 파우치 형(Pouch Type)의 이차 전지의 경우에는, 이러한 보호 부재가 충분히 마련되지 않았다.
[12]
최근에는 파우치 형(Pouch Type)의 이차 전지에서 케이스의 내부가 팽창하면, 전극 탭과 전극 리드의 연결을 차단하는 등 전기적 연결을 물리적으로 차단하는 기술들이 제안되었다. 그런데 전기적 연결이 갑자기 차단된다면, 상기 이차 전지로부터 전력을 공급받는 제품을 사용하던 사용자는 예상치 못하게 상기 제품을 사용할 수 없게 된다. 특히, 상기 제품이 전기 자동차인 경우, 도로 주행 중에 갑자기 자동차가 정지할 수 있어, 운전자가 매우 위험한 상황에 처할 수 있다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[13]
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 케이스의 내부에서 기체가 발생하여 압력이 증가하면, 복수의 전극 리드가 단계적으로 탈착되어, 전기적인 연결이 완전히 차단되기 전에 미리 사용자가 교체 시기를 알 수 있는 파우치 형 이차전지를 제공하는 것이다.
[14]
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

과제 해결 수단

[15]
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지는 양극 및 음극을 포함하는 전극과, 분리막이 적층되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 형태의 전지 케이스; 상기 전극과 연결되며 상기 전극 조립체의 일측으로부터 돌출되는 전극 탭; 일단이 상기 전극 탭과 연결되는 제1 전극 리드; 일단이 상기 제1 전극 리드의 타단과 연결되고, 타단이 상기 전지 케이스의 외부로 돌출되는 제2 전극 리드; 및 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드를 서로 접착시켜 연결하는 연결부;를 포함하되, 상기 제1 및 제2 전극 리드 중 적어도 하나에는, 상기 연결부를 통해 서로에게 접착되는 접착면에 적어도 하나의 노치가 형성된다.
[16]
또한, 상기 노치는, 복수로 형성되고, 상기 복수의 노치는, 상기 제1 또는 제2 전극 리드의 상기 일단으로부터 상기 타단으로 향하는 방향으로, 각각 일정 간격들을 가지며 일렬로 나열되어 형성될 수 있다.
[17]
또한, 상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은, 모두 동일할 수 있다.
[18]
또한, 상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은, 모두 상이할 수 있다.
[19]
또한, 상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은, 상기 제1 또는 제2 전극 리드의 일단으로부터 타단으로 향할수록 길이가 증가할 수 있다.
[20]
또한, 상기 제1 및 제2 전극 리드가 서로 탈착되면, 사용자에게 경고를 알리는 경고 알림 장치를 더 포함할 수 있다.
[21]
또한, 상기 경고 알림 장치는, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 저항의 크기를 측정하여, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 탈착 여부 및 탈착 단계를 판단 할 수 있다.
[22]
또한, 상기 노치는, 복수로 형성되고, 상기 경고 알림 장치는, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 탈착되는 단계에 따라서, 사용자에게 다른 경고를 알릴 수 있다.
[23]
또한, 상기 노치는, 상기 제1 또는 제2 전극 리드를 길이 방향으로 절단하였을 때, 단면의 형상이 삼각형일 수 있다.
[24]
또한, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 일부를 포위하여, 상기 제1 및 제2 전극 리드를 상기 전지 케이스에 접착시키는 절연부를 더 포함할 수 있다.
[25]
또한, 상기 제1 및 제2 전극 리드와 상기 연결부 간의 접착력은, 상기 제1 및 제2 전극 리드와 상기 절연부 간의 접착력보다 약할 수 있다.
[26]
또한, 상기 절연부는, 상기 제1 및 제2 전극 리드가 상기 연결부를 통해 연결된 부분을 포위할 수 있다.
[27]
또한, 상기 절연부는, 전기 절연성을 가지는 열가소성, 열경화성, 광경화형 수지 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
[28]
또한, 상기 연결부는, 도전재를 포함하는 전도성 폴리머로 제조될 수 있다.
[29]
또한, 상기 연결부는, 두께가 1 내지 500μm일 수 있다.
[30]
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

발명의 효과

[31]
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
[32]
복수의 전극 리드가 서로 접착되고, 적어도 하나의 전극 리드에는 접착면에 복수의 노치가 형성되어, 케이스의 내부에서 기체가 발생하여 압력이 증가하면, 상기 노치가 형성된 위치를 기준으로 복수의 전극 리드가 단계적으로 탈착되어 저항이 증가함으로써, 전기적인 연결이 완전히 차단되기 전에 미리 사용자가 교체 시기를 알 수 있다.
[33]
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도면의 간단한 설명

[34]
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 조립도이다.
[35]
도 2는 도 1의 파우치 형 이차 전지의 조립이 완료된 모습의 사시도이다.
[36]
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 부피가 팽창한 모습을 나타낸 사시도이다.
[37]
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지를 도 2의 A-A'로 절단한 단면도의 일부이다.
[38]
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 부피가 팽창한 모습을 도 2의 A-A'로 절단한 단면도의 일부이다.
[39]
도 6은 도 4에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극 리드, 제2 전극 리드 및 연결부를 확대한 확대도이다.
[40]
도 7은 도 4에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 전극 리드, 제2 전극 리드 및 연결부를 확대한 확대도이다.
[41]
도 8은 도 6에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극 리드가, 제1 노치가 형성된 부분까지 탈착된 모습을 나타낸 확대도이다.
[42]
도 9는 도 6에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극 리드가, 제n 노치가 형성된 부분까지 탈착된 모습을 나타낸 확대도이다.

발명의 실시를 위한 형태

[43]
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
[44]
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
[45]
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
[46]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
[47]
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 조립도이고, 도 2는 도 1의 파우치 형 이차 전지(1)의 조립이 완료된 모습의 사시도이다.
[48]
일반적으로 리튬 이차 전지를 제조하는 과정은, 먼저 전극 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극판과 음극판을 제조하고, 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(10)를 형성한 다음에, 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 삽입하고 전해액 주입 후 실링한다.
[49]
전극 조립체(Electrode Assembly, 10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 탭(Electrode Tab, 11)을 포함한다. 전극 탭(11)은 전극 조립체(10)의 양극 및 음극과 각각 연결되고, 전극 조립체(10)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(10)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 된다. 전극 조립체(10)의 집전판은 전극 활물질이 도포된 부분과 전극 활물질이 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(11)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(11)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
[50]
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에는 전극 리드(Electrode Lead, 12)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 리드(12)는 복수로 형성된다. 그리고, 복수의 전극 리드(12) 중에서, 제1 전극 리드(12a, 도 4에 도시됨)는 전극 조립체(10)의 전극 탭(11)과 연결되고, 제2 전극 리드(12b, 도 4에 도시됨)는 전지 케이스(Battery Case, 13)의 외부로 돌출된다. 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)에 대한 자세한 설명은 후술한다. 그리고, 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 절연부(14)는 전지 케이스(13)의 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 열 융착되는 실링부에 한정되어 위치하여, 전지 케이스(13)에 접착된다. 그리고, 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 전지 케이스(13)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스의 실링을 유지한다. 따라서, 이러한 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 일반적으로 절연부(14)로는, 전극 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
[51]
전극 리드(12)는 양극 탭(111) 및 음극 탭(112)의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(121)는 양극 판과 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극 판과 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 그리고 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된 전극 리드(12)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다.
[52]
파우치 형 이차 전지(1)에서 전지 케이스(13)는 연성의 재질로 제조된 파우치이다. 그리고 전지 케이스(13)는 전극 리드(12)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(13)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 포함한다. 하부 파우치(132)에는 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 공간이 마련되고, 상부 파우치(131)는 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 공간을 상부에서 커버한다. 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 분리되어 별도로 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 일측이 서로 연결되어 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
[53]
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 전극 리드(12)가 연결되고, 전극 리드(12)의 일부분에 절연부(14)가 형성되면, 하부 파우치(132)에 마련된 공간에 전극 조립체(10)가 수용되고, 상부 파우치(131)가 상기 공간을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)의 테두리에 형성된 실링부가 실링되면, 도 2에 도시된 바와 같이 이차 전지(1)가 제조된다.
[54]
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 부피가 팽창한 모습을 나타낸 사시도이다.
[55]
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)는, 연성의 재질을 가지는 파우치인 것이 바람직하다. 이하, 전지 케이스(13)는 파우치인 것으로 설명한다.
[56]
일반적으로 전극 조립체(10)를 수용하는 전지 케이스(13)는, 가스 배리어 층(Gas Barrier Layer)과 실란트 층(Sealant Layer)을 포함한다. 가스 배리어 층은 가스 출입을 차단하는 것으로, 주로 알루미늄 박막(Al Foil)이 사용된다. 실란트 층은 최내층에 위치하여 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하고, 주로 폴리프로필렌(PP) 등이 사용된다. 그리고 가스 배리어 층의 상부에는 표면 보호 층을 더 포함할 수도 있다. 표면 보호 층은 최외층에 위치하여 외부와의 마찰 및 충돌이 자주 발생한다. 따라서, 주로 내마모성 및 내열성을 가지는 나일론(Nylon) 수지 또는 PET가 사용된다.
[57]
파우치 형 전지 케이스(13)는 상기와 같은 적층 구조의 필름이 주머니 형태로 가공되어 제조되며, 전극 조립체(10)가 내부에 수용되면 전해액을 주입한다. 그 후에 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 서로 접촉시키고, 실링부에 열 압착을 하면 실란트 층끼리 접착됨으로써 전지 케이스(13)가 실링된다. 이 때, 실란트 층은 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가져야 하며, 또한 전해액과도 접촉하므로 내식성을 가져야 한다. 또한, 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트 층끼리 접착된 실링부는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로 이러한 실란트 층에는 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 특히, 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어나, 실란트 층을 제조하는데 주로 사용된다.
[58]
한편, 일반적으로 전극 조립체(10)에서는 산화 및 환원 반응에 의해 충전 및 방전된다. 이 때, 전해질과 전극 활물질에 의한 전기화학적 반응으로 어느 정도 기체가 발생하는데, 전극 조립체(10)의 내부의 이상 반응에 의한 과충전 또는 쇼트 등의 이유로 비정상적으로 더욱 많은 기체가 발생할 수도 있다. 그런데 상기 파우치 형 전지 케이스(13)는 각 층들이 모두 연성의 재질을 가지므로, 내부에서 압력이 증가한다면, 도 3에 도시된 바와 같이 파우치 형 이차 전지(1)의 부피가 팽창한다. 최근에는 이와 같이 이차 전지(1)의 부피가 팽창하면, 전극 탭(11)과 전극 리드(12)의 연결을 차단하는 등 전기적 연결을 물리적으로 차단하는 기술들이 제안되었다. 그런데 전기적 연결이 갑자기 차단된다면, 상기 이차 전지(1)로부터 전력을 공급받는 제품을 사용하던 사용자는 예상치 못하게 상기 제품을 사용할 수 없게 된다. 특히, 상기 제품이 전기 자동차인 경우, 도로 주행 중에 갑자기 자동차가 정지할 수 있어, 운전자가 매우 위험한 상황에 처할 수 있다.
[59]
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)를 도 2의 A-A'로 절단한 단면도의 일부이다.
[60]
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(1)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 리드(12)가 복수로 형성된다. 즉, 전극 리드(12)는 전극 조립체(10)의 전극 탭(11)과 연결되는 제1 전극 리드(12a) 및 전지 케이스(13)의 외부로 돌출되는 제2 전극 리드(12b)를 포함한다. 그리고 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)는 각각 일면이 연결부(15)를 통해 접착됨으로써, 서로 연결된다.
[61]
하기 기술할 바, 전지 케이스(13)의 내부의 압력이 증가하면, 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)가 단계적으로 탈착된다(여기서 '탈착'은 흡착 또는 부착된 것이 떨어진다는 것을 의미할 수 있음). 그리고, 서로 단계적으로 탈착되기 위해, 적어도 하나의 전극 리드(12)에는, 연결부(15)를 통해 접착되는 접착면에 적어도 하나의 노치(16)가 형성된다. 노치(16)가 복수로 형성된 경우, 복수의 노치(16)들은 각각 일정 간격을 가지며 나열된다. 따라서, 복수의 노치(16)가 형성되기 위해서는, 상기 접착면은 어느 정도 넓은 면적을 가져야 한다. 따라서, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)는, 동일 평면상에 위치하여 측면이 연결되는 것보다는, 서로 다른 평면상에 위치하여 상하면이 서로 연결되는 것이 바람직하다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)가 연결되는 부분에서는 단차가 형성될 수 있다. 상기 노치(16)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
[62]
제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)를 서로 연결하는 연결부(15)는, 전도성을 가지는 얇은 필름 형태인 것이 바람직하다. 특히, 연결부(15)의 두께는 1 내지 500 μm로 매우 얇은 것이 바람직하다. 따라서, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)가 단차를 형성하더라도, 단차의 크기가 과도하게 크지 않을 수 있으며, 전극 조립체(10)로부터 생성된 전기를 용이하게 외부로 방출할 수 있다. 이를 위해, 연결부(15)는 도전재를 포함하는 폴리머인 것이 바람직하다.
[63]
도전재는 천연 또는 인조 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유 또는 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화카본, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 구리 분말 등의 금속 분말; 1종의 금속 위에 이종의 금속으로 코팅된 Core/Shell 구조를 가지는 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등 가운데 적어도 하나가 사용될 수 있다.
[64]
상기 폴리머는 열경화성 고분자 수지로 아크릴 수지, 에폭시 수지, EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 수지, CPE(Chlorinated Polyethylene) 수지, 실리콘, 폴리우레탄, 우레아 수지, 멜라민 수지, 페놀수지 및 불포화에스테르 수지, PP(polypropylene), PE(polyethylene), polyimide, polyamide 중의 적어도 하나를 포함하며, 아크릴 수지가 가장 바람직하다.
[65]
한편 상기 기술한 바와 같이, 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 실링되는 과정에서, 전극 리드(12)와 접촉하는 부분은 상대적으로 압력이 높으므로, 전지 케이스(13)의 실란트 층이 파손될 가능성이 높다. 이러한 실란트 층은 상기 기술한 바와 같이, 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가진다. 그러나, 실란트 층이 파손된다면, 전극 리드(12)를 통해서 전지 케이스(13)로 전기가 흐를 수 있다. 특히, 전지 케이스(13)의 가스 배리어 층은 알루미늄과 같은 금속으로 제조되므로, 실란트 층이 조금이라도 파손되어 가스 배리어 층이 노출된다면, 전극 리드(12)와 접촉하여 전기가 용이하게 흐를 수 있다.
[66]
따라서, 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 또한, 절연부(14)는 높은 기계적 강도와 내열성을 가진다. 따라서 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 열 융착될 때 절연부(14)는 형태를 유지하여, 실란트 층이 일부 파손되어 가스 배리어 층이 노출되더라도 전극 리드(12)와 가스 배리어 층의 접촉을 차단한다. 그럼으로써 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 전지 케이스(13)로 흐르는 것을 방지한다. 그리고 절연부(14)는 높은 접착성을 가진다. 따라서, 전지 케이스(13)의 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 열 융착되는 실링부에 한정되어 위치하여, 전극 리드(12)를 전지 케이스(13)에 접착시킨다. 이러한 절연부(14)는 고분자 수지로서, 전기 절연성을 지니는 열가소성, 열경화성, 광경화형 수지 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 일반적으로 절연부(14)로는, 전극 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
[67]
도 4에 도시된 바와 같이, 절연부(14)는 제1 전극 리드(12a), 연결부(15) 및 제2 전극 리드(12b)를 모두 포위한다. 만약, 제1 전극 리드(12a) 또는 연결부(15)를 포위하지 않는다면, 전지 케이스(13)가 팽창하더라도 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)에 척력을 인가할 수 없기 때문이다. 척력에 대한 자세한 설명은 후술한다.
[68]
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 부피가 팽창한 모습을 도 2의 A-A'로 절단한 단면도의 일부이다.
[69]
상기 기술한 바, 파우치 형 전지 케이스(13)의 내부에서 압력이 증가한다면, 파우치 형 이차 전지(1)의 부피가 팽창한다. 따라서 도 5에 도시된 바와 같이, 전지 케이스(13)의 외벽이 외측을 향해 이동한다. 이 때, 전지 케이스(13)의 외벽 중에 상벽 및 하벽은 측벽보다 면적이 넓고 실링이 되어 있지 않아, 연성이 더욱 크다. 따라서, 전지 케이스(13)의 상벽은 상방으로, 하벽은 하방으로 이동하는 경향이 크다.
[70]
이차 전지(1)의 부피가 팽창하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 전지 케이스(13)의 외벽이 외측을 향해 이동하면서 절연부(14)를 통해 연결된 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)에 척력을 인가한다. 따라서, 전지 케이스(13)의 내부 압력이 점점 증가하면 전지 케이스(13)의 외벽이 이동하려는 힘이 더욱 커지고, 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)에 인가되는 척력의 크기도 더욱 증가한다. 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)간의 접착력보다 상기 척력의 크기가 더 커지게 되면, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)는 결국 탈착된다. 따라서, 전기적 연결이 차단되어, 전기가 더 이상 흐를 수가 없다. 다만, 이 때 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)와 연결부(15) 간의 접착력은, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)와 절연부(14) 간의 접착력보다 약하다. 따라서, 제1 전극 리드(12a)와 제2 전극 리드(12b)에 척력이 인가되면, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)와 절연부(14) 사이의 접착력은 유지되어 전지 케이스의 실링이 유지되고, 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)가 서로 탈착된다.
[71]
도 6은 도 4에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극 리드(12a), 제2 전극 리드(12b) 및 연결부(15)를 확대한 확대도이고, 도 7은 도 4에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 전극 리드(12a), 제2 전극 리드(12b) 및 연결부(15)를 확대한 확대도이다.
[72]
한편, 제2 전극 리드(12b)의 일면에는, 적어도 하나의 노치(16)가 일정 간격을 가지며 일렬로 나열되어 형성된다. 이 때, 노치(16)는 제2 전극 리드(12b)의 일면 중에서, 제1 전극 리드(12a)와 연결된 접착면에 형성되는 것이 바람직하다.
[73]
도 6에 도시된 바와 같이, 노치(16)가 제2 전극 리드(12b)에만 형성될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 제1 전극 리드(12a)에 노치(16)가 형성될 수도 있으며, 나아가 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b) 모두에게 노치(16)가 형성될 수 있다. 이 때에도, 노치(16)는 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b) 서로와 연결된 면에 형성되는 것이 바람직하다. 이하, 제2 전극 리드(12b)에만 노치(16)가 형성된 것으로 설명하나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며 권리범위를 제한하기 위함이 아니다.
[74]
제2 전극 리드(12b)에 노치(16)가 형성됨으로써, 제2 전극 리드(12b)가 제1 전극 리드(12a)로부터 탈착될 때, 제2 전극 리드(12b)는 노치(16)가 형성된 부분까지 탈착된다. 제1 전극 리드(12a)와 연결된 접착면 중에서, 노치(16)가 형성된 부분과 노치(16)가 형성되지 않은 부분은 접착력이 서로 다르기 때문이다. 그리고, 노치(16)가 복수로 형성되면, 제2 전극 리드(12b)는 각각의 노치(16)가 형성된 부분까지 단계적으로 탈착된다. 따라서, 노치(16)가 복수로 형성된 경우, 상기 복수의 노치(16)는 제2 전극 리드(12b)의 일단으로부터 타단으로 향하는 길이 방향으로, 일렬로 나열되며 형성되는 것이 바람직하다.
[75]
노치(16)가 복수로 형성된 경우 각각 일정 간격을 가지며, 이러한 일정 간격들은 모두 동일할 수도 있으나, 동일하지 않을 수도 있다. 특히 도 6에 도시된 바와 같이, 각 노치(16) 간의 일정 간격들도 제2 전극 리드(12b)의 일단으로부터 타단으로 향할수록 길이가 증가할 수 있다. 이러한 경우, 제2 전극 리드(12b)가 탈착되는 단계가 증가할수록 제2 전극 리드(12b)가 탈착되기 위해 필요한 내부 압력의 증가량이 더욱 증가한다. 그러나 만약, 각 노치(16) 간의 일정 간격들이 모두 동일하다면, 제2 전극 리드(12b)가 탈착되는 단계가 증가하더라도 제2 전극 리드(12b)가 탈착되기 위해 필요한 내부 압력의 증가량이 항상 일정하다.
[76]
노치(16)는 제2 전극 리드(12b)의 일면에 함몰되어 형성되며, 함몰되는 모양은 도 6에 도시된 바와 같이, 전극 리드(12)의 길이 방향으로 절단하였을 때 절단면이 삼각형인 것이 바람직하다. 노치(16)의 꼭짓점 부근에서 제2 전극 리드(12b)가 용이하게 절곡될 수 있으므로, 제2 전극 리드(12b)가 더욱 용이하게 탈착되기 때문이다. 다만, 제2 전극 리드(12b)가 용이하게 탈착될 수 있다면, 노치(16)는 이에 제한되지 않고 사각형이나 오각형 등의 다각형, 반원 등 다양한 모양으로 형성될 수 있다.
[77]
도 6에 도시된 바와 같이, 노치(16)는 5개가 형성될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 다양한 개수로 형성될 수 있다. 나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 노치(16)는 도 7에 도시된 바와 같이 하나만 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 제2 전극 리드(12b)가 상기 하나의 노치(16)가 형성된 부분까지 탈착되면, 경고 알림 장치는 곧바로 사용자에게 이차 전지(1)의 교체가 필요하다는 경고를 알릴 수 있다.
[78]
경고 알림 장치란 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)의 저항을 측정하여, 상기 저항의 변화에 따라 사용자에게 경고를 알리는 장치이다. 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)가 서로 탈착될수록, 즉 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b) 간의 접착면이 감소할수록 저항이 증가한다. 저항의 크기는 도체의 단면적과 반비례하기 때문이다. 그러나 전압의 크기는 일정하므로, 경고 알림 장치는 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)에 흐르는 전류의 크기가 감소하면, 저항의 크기가 증가한 것으로 판단한다. 그리고, 사용자에게 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)가 탈착되었다는 경고를 알린다. 이러한 경고 알림 장치는 BMS(Battery Management System)일 수 있으며, 이 경우에는 전지 자체의 저항을 측정하여, 전지의 저항의 증가를 통해 제1 및 제2 전극 리드(12a, 12b)의 탈착을 판단할 수 있다.
[79]
도 8은 도 6에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극 리드(12b)가, 제1 노치(16a)가 형성된 부분까지 탈착된 모습을 나타낸 확대도이다.
[80]
전지 케이스(13)의 내부에서 기체가 발생하여 내부 압력이 제1 압력 이상으로 증가하면, 도 8에 도시된 바와 같이 제2 전극 리드(12b)가, 제1 노치(16a)가 형성된 부분까지 1단계 탈착된다. 그러면, 전극 리드(12)의 저항이 소량 증가하고, 경고 알림 장치가 증가한 저항을 측정하여 사용자에게 1차 경고를 알린다.
[81]
이 때, 제1 노치(16a)의 크기, 모양, 연결부(15)와 제2 전극 리드(12b) 간의 접착력, 제2 전극 리드(12b)의 일단으로부터 제1 노치(16a)까지의 거리 등의 조건들에 따라, 상기 제1 압력의 크기가 상이할 수 있다. 따라서, 상기의 조건들과, 제1 압력의 크기 간의 관계를 실험적으로 미리 도출한다. 그리고, 사용자가 희망하는 크기의 압력을 제1 압력으로 지정하고, 상기 조건들을 상기 지정된 제1 압력에 대응되는 조건들로 설정한다. 그러면, 상기 전지 케이스(13)의 내부 압력이 상기 사용자가 지정한 제1 압력 이상으로 증가할 때, 제2 전극 리드(12b)가 1단계 탈착될 수 있다.
[82]
도 9는 도 6에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극 리드(12b)가, 제n 노치(16)가 형성된 부분까지 탈착된 모습을 나타낸 확대도이다.
[83]
노치(16)가 n개 형성되고, 전지 케이스(13)의 내부에서 기체가 계속 발생하여 내부 압력이 제n 압력 이상으로 증가하면, 도 9에 도시된 바와 같이 제2 전극 리드(12b)가, 제n 노치(16)가 형성된 부분까지 n단계 탈착된다. 제2 전극 리드(12b)가 n단계 탈착이 되면, 제2 전극 리드(12b)가 제1 전극 리드(12a)로부터 완전히 탈착되기 직전이다. 따라서, 경고 알림 장치는 사용자에게 이차 전지(1)의 교체가 필요하다는 n차 경고를 알린다.
[84]
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이 노치(16)가 5개 형성되었을 때, 전지 케이스(13)의 내부 압력이 제5 압력 이상으로 증가하면, 제2 전극 리드(12b)가, 제5 노치(16)가 형성된 부분까지 5단계 탈착된다. 그리고, 경고 알림 장치는 5차 경고를 알린다.
[85]
제2 전극 리드(12b)가 탈착되는 총 단계의 수는, 제2 전극 리드(12b)에 형성된 노치(16)의 수보다 하나가 더 많다. 만약, 제2 전극 리드(12b)가 n+1단계 탈착되면, 제2 전극 리드(12b)가 제1 전극 리드(12a)로부터 완전히 탈착된 것이다. 따라서, 전극 조립체(10)로부터 생성된 전기가 차단되어, 더 이상 이차 전지(1)로부터 전력이 공급되지 않는다. 사용자는 이차 전지(1)가 이러한 상태가 되기 전에, 상기 n차 경고를 통해 이차 전지(1)의 상태를 파악하고, 이차 전지(1)를 미리 교체할 수 있다.
[86]
경고 알림 장치의 경고는 소리, 램프, 숫자 등 사용자에게 알릴 수 있다면 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 경고 알림 장치가 램프를 통해 사용자에게 경고를 알린다면, 제2 전극 리드(12b)가 1단계 탈착되었을 때, 1차 경고로서 파란색의 램프가 점등될 수 있다. 그리고, 2단계, 3단계로 탈착이 진행되면, 초록색, 노란색 등의 램프가 점등되어 2차, 3차 경고를 알릴 수 있다. 그리고, n단계로 탈착이 진행되면, 빨간색 등의 램프가 점등되어 사용자에게 n차의 최종 경고를 알릴 수 있다. 즉, 사용자에게 이차 전지(1)의 현재 상태를 알려주어, 사용자가 이차 전지(1)의 교체 시기를 용이하게 파악할 수 있다면, 경고 알림 장치는 다양한 방법으로 경고를 알릴 수 있다.
[87]
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

청구범위

[청구항 1]
양극 및 음극을 포함하는 전극과, 분리막이 적층되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 형태의 전지 케이스; 상기 전극과 연결되며 상기 전극 조립체의 일측으로부터 돌출되는 전극 탭; 일단이 상기 전극 탭과 연결되는 제1 전극 리드; 일단이 상기 제1 전극 리드의 타단과 연결되고, 타단이 상기 전지 케이스의 외부로 돌출되는 제2 전극 리드; 및 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드를 서로 접착시켜 연결하는 연결부;를 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극 리드 중 적어도 하나에는, 상기 연결부를 통해 서로에게 접착되는 접착면에 적어도 하나의 노치가 형성되는 파우치 형 이차 전지.
[청구항 2]
제1항에 있어서, 상기 노치는, 복수로 형성되고, 상기 복수의 노치는, 상기 제1 또는 제2 전극 리드의 상기 일단으로부터 상기 타단으로 향하는 방향으로, 각각 일정 간격들을 가지며 일렬로 나열되어 형성되는, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 3]
제2항에 있어서, 상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은, 모두 동일한, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 4]
제2항에 있어서, 상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은, 모두 상이한, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 5]
제4항에 있어서, 상기 복수의 노치들 간의 상기 일정 간격들은, 상기 제1 또는 제2 전극 리드의 일단으로부터 타단으로 향할수록 길이가 증가하는, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 6]
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 리드가 서로 탈착되면, 사용자에게 경고를 알리는 경고 알림 장치를 더 포함하는, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 7]
제6항에 있어서, 상기 경고 알림 장치는, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 저항의 크기를 측정하여, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 탈착 여부 및 탈착 단계를 판단하는, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 8]
제6항에 있어서, 상기 노치는, 복수로 형성되고, 상기 경고 알림 장치는, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 탈착되는 단계에 따라서, 사용자에게 다른 경고를 알리는, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 9]
제1항에 있어서, 상기 노치는, 상기 제1 또는 제2 전극 리드를 길이 방향으로 절단하였을 때, 단면의 형상이 삼각형인, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 10]
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 리드의 일부를 포위하여, 상기 제1 및 제2 전극 리드를 상기 전지 케이스에 접착시키는 절연부를 더 포함하는 파우치 형 이차 전지.
[청구항 11]
제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 리드와 상기 연결부 간의 접착력은, 상기 제1 및 제2 전극 리드와 상기 절연부 간의 접착력보다 약한, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 12]
제10항에 있어서, 상기 절연부는, 상기 제1 및 제2 전극 리드가 상기 연결부를 통해 연결된 부분을 포위하는, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 13]
제10항에 있어서, 상기 절연부는, 전기 절연성을 가지는 열가소성, 열경화성, 광경화형 수지 중 적어도 하나로 형성되는, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 14]
제1항에 있어서, 상기 연결부는, 도전재를 포함하는 전도성 폴리머로 제조되는, 파우치 형 이차 전지.
[청구항 15]
제1항에 있어서, 상기 연결부는, 두께가 1 내지 500μm인, 파우치 형 이차 전지.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]

[도7]

[도8]

[도9]