特許 6265900 多孔性構造の電極組立体及びこれを含む二次電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6265900

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】多孔性構造の電極組立体及びこれを含む二次電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/04 20060101AFI20180115BHJP

   H01M 2/02 20060101ALI20180115BHJP

   H01M 2/10 20060101ALI20180115BHJP

   H01M 2/18 20060101ALI20180115BHJP

   H01M 4/02 20060101ALI20180115BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20180115BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20180115BHJP

   H01M 10/647 20140101ALI20180115BHJP

   H01M 10/6556 20140101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   H01M10/04 Z

   H01M2/02 K

   H01M2/10 Y

   H01M2/18 Z

   H01M4/02 Z

   H01M10/613

   H01M10/625

   H01M10/647

   H01M10/6556

【請求項の数】16

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2014-531716(P2014-531716)

(86)(22)【出願日】2012年9月20日

(65)【公表番号】特表2014-531111(P2014-531111A)

(43)【公表日】2014年11月20日

(86)【国際出願番号】KR2012007526

(87)【国際公開番号】WO2013042948

(87)【国際公開日】20130328

【審査請求日】2014年3月20日

【審判番号】不服2016-12628(P2016-12628/J1)

【審判請求日】2016年8月22日

(31)【優先権主張番号】10-2011-0094779

(32)【優先日】2011年9月20日

(33)【優先権主張国】KR

(31)【優先権主張番号】10-2011-0100272

(32)【優先日】2011年9月30日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】504111015

【氏名又は名称】エルジー ケム． エルティーディ．

(74)【代理人】

【識別番号】100083138

【弁理士】

【氏名又は名称】相田 伸二

(74)【代理人】

【識別番号】100189625

【弁理士】

【氏名又は名称】鄭 元基

(74)【代理人】

【識別番号】100196139

【弁理士】

【氏名又は名称】相田 京子

(72)【発明者】

【氏名】キム スヨン

(72)【発明者】

【氏名】シン ヨンジュン

(72)【発明者】

【氏名】パク ヒョソク

【合議体】

【審判長】 池渕 立

【審判官】 長谷山 健

【審判官】 結城 佐織

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１５８４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−９０８３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２９３７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８９１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01M 2/00-2/08, H01M 2/20-2/34, H01M 10/00-10/39

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パウチ型二次電池を単位電池に含む電池モジュールであって、
前記パウチ型二次電池は、
正極、負極及び分離膜を含む電極組立体；及び
前記電極組立体を収容するパウチ外装材；
を含み、
前記電極組立体及び前記パウチ外装材には一つ以上の貫通口が形成され、
前記貫通口の内部には内周面に沿ってパウチ外装材がシーリングされた追加シーリング部が形成され、
前記電極組立体及び前記パウチ外装材に形成されている前記貫通口を貫通して前記パウチ型二次電池を相対的に固定させることにより、外部の圧力による電池の離脱又は流動を防止するための固定棒を含むことを特徴とする電池モジュール。

【請求項2】

前記一つ以上の貫通口は、２個であることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項3】

前記一つ以上の貫通口は、円形、楕円形、頂点が曲率を有するように処理された曲率角形、四角形及び三角形からなる群から選ばれた何れか一つの形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項4】

前記一つ以上の貫通口は、円形に形成されることを特徴とする請求項３に記載の電池モジュール。

【請求項5】

前記一つ以上の貫通口は、同一の形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の 電池モジュール。

【請求項6】

前記一つ以上の貫通口は、同じ間隔で離隔され形成されることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項7】

前記一つ以上の貫通口は、電極組立体の長辺方向に中心部に沿って形成されることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項8】

前記一つ以上の貫通口は、電極組立体の短辺方向に中心部に沿って形成されることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項9】

前記一つ以上の貫通口が占める全体面積は、電極組立体の平面積対比２％〜２０％であることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項10】

前記電極組立体は、ジェリーロール型、スタック型、スタック／フォールディング型及びＺ−スタック／フォールディング型の構造のうち選ばれた何れか一つの構造であることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項11】

前記パウチ外装材は内部樹脂層、金属薄膜及び外部樹脂層の構造からなることを特徴とする請求項１乃至１０の内、いずれか一項に記載の電池モジュール。

【請求項12】

前記一つ以上の貫通口は、電極組立体の貫通口とパウチ外装材の貫通口が互いに対応され得るように同じ位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項13】

前記電極組立体の貫通口とパウチ外装材の貫通口は、同一の形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項14】

前記電極組立体の貫通口の大きさは、対応されるパウチ外装材の貫通口の大きさよりさらに大きいことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項15】

前記電極組立体の貫通口は、その内周面に沿って形成される追加シーリング部の幅だけパウチ外装材の貫通口よりさらに大きいことを特徴とする請求項１４に記載の電池モジュール。

【請求項16】

前記電池モジュールは、中大型デバイスの電源に用いられ、前記中大型デバイスは、パワーツール（Ｐｏｗｅｒ Ｔｏｏｌ）；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；Ｅ−バイク（Ｅ−ｂｉｋｅ）、Ｅ−スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｏｌｆ Ｃａｒｔ）；電気トラック；電気商用車；又は電力貯蔵用システムのうち何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は2011年9月20日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10-2011-0094779号及び2011年9月30日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10-2011-0100272号の優先権を請求し、本明細書で参照として統合される。

【0002】

本発明は多孔性構造の電極組立体及びこれを含む二次電池に対するものである。

【背景技術】

【0003】

モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれ、エネルギー源としての電池の需要が急激に増加しており、それにより様々な要求に応じることができる電池に対する多くの研究が行われている。

【0004】

代表的に、電池の形状面では薄い厚さで携帯電話などのような製品に適用されることができる角形二次電池とパウチ型二次電池に対する需要が高く、材料面では高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性のリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池に対する需要が高い。

【0005】

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。

【0006】

図1を参照すると、パウチ型二次電池100は、電極組立体300、電極組立体300から延長されている電極タブ310、320、電極タブ310、320に溶接されている電極リード410、420、及び電極組立体300を収容する電池ケース200を含むものとして構成されている。

【0007】

電極組立体300は、分離膜が介在された状態で正極と負極が順次に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/フォールディング型構造で成っている。電極タブ310、320は電極組立体300の各極板から延長されており、電極リード410、420は各極板から延長された複数個の電極タブ310、320と、例えば、溶接によってそれぞれ電気的に連結されており、電池ケース200の外部に一部が露出している。また、電極リード410、420の上下面一部には電池ケース200との密封度を高め、同時に電気的絶縁状態を確保するために絶縁フィルム430が貼り付けられている。

【0008】

ケース200は、アルミニウムラミネートシートからなっており、電極組立体300を収容することができる空間を提供して、全体的にパウチ状を有している。図1でのような積層型電極組立体300の場合、多数の正極タブ310と多数の負極タブ320が電極リード410、420にともに結合できるように、電池ケース200の内部上端は電極組立体300から所定の間隔で離隔されている。

【0009】

また、前記電極組立体300と電池ケース200は、電極リード410、420とともに電池ケースのシーリング部位をシーリングすることで互いに固定されているだけなので、固定力が弱く電極組立体300が電池ケース200内部で流動する問題がある。

【0010】

一方、図2には図1の二次電池で正極タブが密集した形態で結合され、正極リードに繋がれている電池ケース内部上端の部分拡大図が示されている。

【0011】

図2を参照すると、電極組立体300の正極集電体301から延長されて突出されている多数の正極タブ310は、例えば、溶接によって一体に結合された溶接部の形態で正極リード410に連結される。そのような正極リード410は、正極タブ溶接部が連結されている対向端部412が露出した状態で電池ケース200によって密封される。

【0012】

多数の正極タブ310が一体に結合されて溶接部を形成することによって、電池ケース200の内部上端は、電極組立体300の上端面から一定の距離ほど離隔されており、溶接部の正極タブ310は略V字状に折曲されている。

【0013】

したがって、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)部位と称したりもする。このようなパウチ型二次電池で、電極組立体は電池の振動又は落下時のV-フォーミング部位の空き空間によって、電池ケースとの界面に沿って容易に移動される。

【0014】

特に、電池ケース内部に注入されるリチウム塩含有電解液は、電極組立体と電池ケースの界面で一種の潤滑油として作用し、電極組立体の移動をさらに促進させる。これらの電極組立体の移動は、前記V-フォーミング部位で互いに異なる電極の接触による内部短絡の原因となり、最終的に電池の安定性を低下させるため、パウチ型電池を製造するにおいて安定性を確保することができる方案が必要である。

【0015】

これに関して、日本特許出願公開第2005-183820号では、正極/分離膜/負極からなる電極組立体を、相互絶縁状態に結合される上部及び下部電池ケースに内蔵することで構成された二次電池において、前記電極組立体の外表面をなす電極と上部及び下部ケースの内表面との間に、それぞれ導電性接着剤及び電解質に含まれている有機溶媒から構成された接着層を形成して熱処理することで、電極組立体を電池ケース内部に安定的に固定し、電極組立体の電極と上部及び下部ケースを電気的に連結することから構成された二次電池を提供している。

【0016】

しかし、前記の技術は、接着層がペーストで製造されて塗布され、熱処理によって接着性を発現するため、全体的に電池の製造工程が複雑であり、接着層の熱処理過程中に電極活物質及び電解質などの他の構成源の劣化をもたらす短所を有している。したがって、電池外装材内部で電極組立体の流動を防止し、全般的な安定性を根本的に解決することができる技術に対する必要性が高い実情である。

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

したがって、本発明は、前記のような従来技術の問題点と過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。

【0018】

本発明の目的は、電池ケースと電極組立体を安定的に固定することにより、電極組立体の移動を抑制して内部短絡を防止することができ、究極的に優秀な安定性を確保することができる二次電池を提供することにある。

【0019】

本発明の他の目的は、電解液に対する含浸性が向上した電極組立体を含む二次電池を提供することにある。

【0020】

本発明のさらに他の目的は、前記二次電池を多数含んで安定的に固定することにより安定性を向上させた二次電池モジュール又は電池パックを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0021】

本発明は、前記のような課題を解決するために案出されたものであって、(多数の)正極、負極及び分離膜を含む電極組立体において、一つ以上の貫通口を含む電極組立体を提供する。

【0022】

また、前記一つ以上の貫通口は、2個であり得る。

【0023】

また、前記一つ以上の貫通口は、円形、楕円形、頂点が曲率を有するように処理された曲率角形、四角形及び三角形からなる群から選ばれた何れか一つの形状、詳細には円形に形成されるものであり得る。

【0024】

また、前記一つ以上の貫通口は、同一の形状に形成されるものであり得る。

【0025】

また、前記一つ以上の貫通口は、同じ間隔で離隔され形成されるものであり得る。

【0026】

また、前記一つ以上の貫通口は、電極組立体の長辺又は短辺方向にその中心部に沿って形成されるものであり得る。

【0027】

また、前記一つ以上の貫通口が占める全体面積は、電極組立体の平面積対比2%〜20%であり得る。

【0028】

また、前記電極組立体は、ジェリーロール型、スタック型、スタック/フォールディング型及びZ-スタック/フォールディング型の構造のうちで選ばれた何れか一つの構造であり得る。

【0029】

併せて、本発明は前記電極組立体、パウチ外装材及び貫通シーリング部を含むパウチ型二次電池を提供する。

【0030】

また、前記パウチ外装材は内部樹脂層、金属薄膜及び外部樹脂層の構造からなるものであり得る。

【0031】

また、前記貫通シーリング部は、電極組立体上に形成された一つ以上の貫通口を覆うパウチ外装材の該当部分をシーリングして形成されたものであり得る。

【0032】

さらに、本発明は、前記パウチ型二次電池を単位電池として含む電池モジュール又は電池パックを提供する。

【0033】

また、前記電池モジュール又は電池パックは、中大型デバイスの電源として用いられ、前記中大型デバイスは、パワーツール(Power Tool);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;E-bike、E-scooterを含む電気二輪車;電気ゴルフカート(Electric Golf Cart);電気トラック;電気商用車;又は電力貯蔵用システムのうちの一つであり得る。

【0034】

さらに、本発明は正極、負極及び分離膜上の同じ位置に一つ以上の貫通口を含む電極組立体;及び内部樹脂層、金属薄膜及び外部樹脂層の構造からなるパウチ外装材;を含み、電極組立体上に形成された前記貫通口と対応される位置のパウチ外装材を追加的にシーリングすることを特徴とする、貫通シーリング部を含むパウチ型二次電池の製造方法を提供する。

【0035】

また、前記貫通シーリング部は該当部位を加圧することができるように、貫通口の位置及び形状と対応される加圧部を有する熱溶着装置を用いて製造されるものであり得る。

【0036】

他の側面では、本発明は一つ以上の貫通口を含むパウチ型二次電池を提供する。

【0037】

また、前記一つ以上の貫通口は、正極、負極及び分離膜を含む電極組立体;及びこれを含むパウチ外装材;のうち少なくとも一つ以上に形成されるものであり得る。

【0038】

また、前記一つ以上の貫通口は、電極組立体の貫通口とパウチ外装材の貫通口が互いに対応され得るように同じ位置に形成されるものであり得る。

【0039】

また、前記電極組立体の貫通口とパウチ外装材の貫通口は、同一の形状に形成されるものであり得る。
また、前記電極組立体の貫通口の大きさは、対応されるパウチ外装材の貫通口の大きさよりさらに大きいものであり得る。

【0040】

ここで、前記電極組立体の貫通口は、その内周面に沿って形成される追加シーリング部の幅ほどパウチ外装材の貫通口よりさらに大きいものであり得る。

【0041】

また、前記一つ以上の貫通口は、同じ間隔で離隔され形成されるものであり得る。

【0042】

また、前記一つ以上の貫通口は、パウチ型二次電池の長辺又は短辺方向にその中心部に沿って形成されるものであり得る。

【0043】

また、前記電極組立体の貫通口内周面に沿って追加シーリング部が形成されるものであり得る。

【0044】

また、前記一つ以上の貫通口は、円形、楕円形、頂点が曲率を有するように処理された曲率角形、四角形及び三角形からなる群から選ばれた何れか一つの形状、詳細には円形に形成されるものであり得る。

【0045】

また、前記一つ以上の貫通口が占める全体面積は、パウチ型二次電池の平面積対比2%〜20%であり得る。

【0046】

また、前記電極組立体は、ジェリーロール型、スタック型、スタック/フォールディング型及びZ-スタック/フォールディング型の構造のうち選択された何れか一つの構造であり得る。

【0047】

さらに、本発明は、前記パウチ型二次電池を単位電池に含む電池モジュールを提供する。

【0048】

また、前記電池モジュールは、単位電池に形成された一つ以上の貫通口を介して冷却ラインが連結されたものであり得る。

【0049】

また、前記電池モジュールは、単位電池に形成された一つ以上の貫通口を介して単位電池固定棒が連結されたものであり得る。

【0050】

また、前記電池モジュールは、中大型デバイスの電源に用いられて、前記中大型デバイスはパワーツール(Power Tool);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;E-バイク(E-bike)、E-スクーター(E-scooter)を含む電気二輪車;電気ゴルフカート(Electric Golf Cart);電気トラック;電気商用車;又は電力貯蔵用システムのうち何れか一つであり得る。

【発明の効果】

【0051】

以上で説明したように、本発明に係る二次電池は、電極組立体と電池ケースの溶着部位を追加して安定的に固定することで、電極組立体の移動を抑制して内部短絡などを防止して安定性を高めることだけではなく、多孔性構造の電極組立体の構成によって電解液の含浸性を大きく高めることができる効果がある。

【0052】

さらに、本発明は、前記二次電池の貫通口を用いて多数の二次電池を配列及び固定したり冷却させたりすることで、一つ以上の多くの二次電池を含む二次電池モジュール又は電池パックの安定性及び性能、寿命をさらに向上させることのできる二次電池モジュール又は電池パックを提供する。

【0053】

本発明が属した分野で通常の知識を有する者であれば、前記内容に基づいて本発明のカテゴリー内で様々な応用及び変形を行うのが可能であるといえる。

【図面の簡単な説明】

【0054】

【図1】従来のパウチ型二次電池の一般的な構造に対する分解斜視図である。

【図2】図1の二次電池で正極タブが密集された形態に結合されて正極リードに連結されている電池ケース内部上端の部分拡大図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る二次電池の分解斜視図である。

【図4】前記図3に係る二次電池の結合された状態の斜視図である。

【図5】前記他の一つの実施形態に係る二次電池の結合された状態の斜視図である。

【図6】前記図3に係る二次電池をシーリングした状態に対する斜視図である。

【図7】前記図3に係る二次電池を多数含む二次電池モジュールに対する分解斜視図である。

【図8】前記二次電池モジュールにおいて、二次電池貫通口を介して冷却ラインを連結した実施例に対する分解斜視図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0055】

本発明は前記のような従来技術を解決するために、
(多数の)正極、負極及び分離膜を含む電極組立体において、シーリングのための一つ以上の貫通口を含む電極組立体及びこれを含む二次電池を提供する。
本発明に係る二次電池は、電池外装材角のシーリング部以外に前記シーリングのための一つ以上の貫通口を介して、電極組立体と電池外装材を追加的にシーリングすることで、電極組立体が電池外装材内部で移動することを抑制して、落下、外部衝撃などのような外力の印加時の安定性を向上させることができる。特に、外部衝撃や揺れが多い電気自動車のような中大型デバイスの電源に用いられる場合、電極組立体の流動による内部短絡及びこれによる発熱、発火などの危険を予防して安定性を大きく高めることができる。

【0056】

前記貫通口の形状は、特に制限するものではなく、円形、楕円形、その他頂点が曲率を有するように処理された曲率図形、四角形、三角形などの様々な模様に形成され得る。但し、電極組立体に含まれる電極又は分離膜が破れたり損傷されたりすることを防止するためには、できるだけへりや角がない形状に貫通口を形成することが好ましい。したがって、前記貫通口は円形に形成されることが好ましい。

【0057】

また、前記貫通口の大きさ及び個数も特に制限せず、電池の用途及び形状などによって多様に設計が可能であるといえる。但し、貫通口の大きさがあまりにも大きかったり多数の貫通口を形成したりする場合、電池の容量側面で不利なことがあるため、前記貫通口は電極組立体と電池外装材を固定することができる最小限の大きさ及び個数に形成されることが好ましい。

【0058】

さらに詳細には、前記貫通口が占める全ての面積が電極組立体の平面を基準に2%乃至は20%を占めるように構成するものであり得る。前記範囲を脱し、貫通口の占める割合がさらに高くなれば電池の容量が低下する問題があるし、前記割合に達しない場合は効果的に電極組立体を電池外装材と固定し難いためである。

【0059】

本発明の一実施形態では前記のような面積の割合の範囲内で小さなサイズの多数の貫通口を電極組立体上に均等に分布形成することもでき、これより大きいサイズの貫通口は、電極組立体の中心を基準に長手方向に対称となる両終端に2個の貫通口を形成して最小限の貫通口の形成で電極組立体と電池外装材が固定できるようにすることができる。

【0060】

このとき、一つの貫通口の面積は、全体電極組立体の平面積を基準に1%〜10%となるように形成することが好ましい。
但し、工程の便宜のためには、電極組立体の重さ中心となり得る地点、すなわち、電極組立体の中心を基準に長手方向に対称となる両終端に2個の貫通口のみを形成する場合に、電池外装材とのシーリングがより容易かつ便利であるため好ましく、例えば、電極組立体の長手方向の長さ(L)に対して両終端からL/6長さほどに離隔された位置に前記貫通口を形成することもできる。

【0061】

一方、前記貫通口は、多数の電極及び分離膜を含む電極組立体を組立てた後に、一度にこれを貫通する貫通口を形成することもでき、既に予定された形状と位置に同じく貫通口が形成された電極及び分離膜を用いて貫通口が形成された電極組立体を製造することもできる。

【0062】

本発明の電極組立体は、内側に一つ以上の貫通口を含むことで電極組立体を固定することができることはもちろん、さらには電解液の含浸性を大きく高めることもできる。

【0063】

一般的に電解液の含浸性は、電極組立体の内部側へ電解液が浸透し難く含浸性が落ちるのが事実であるが、本発明の電極組立体は、内部に一つ以上の貫通口を含むことで電解液がこれを介して電極組立体内部でも浸透が可能であるところ、電極組立体の電解液の含浸性が大きく高まる効果がある。

【0064】

一方、本発明に係る前記電極組立体の形態は特に限定せず、長いシート状の正極及び負極とその間に分離膜を介在して巻取した構造のジェリーロール型電極組立体;正極、負極及び分離膜を含み、両側の最末端電極が同一であるか又は互いに異なる電極に形成された単位セルを長いフィルム型分離膜の上に多数配置した後、単一方向に巻取したスタック(stack)&フォールディング(folding)型電極組立体;前記長いフィルム型分離膜をジグザグ方向に巻取したZ-スタック&フォールディング型電極組立体;多数の単位セルを積層した構造のスタック型電極組立体などの電極組立体の中で何れか一つであり得る。

【0065】

本発明は、前記のような電極組立体を含み、前記電極組立体の貫通口部分に電池外装材を追加的にシーリングして形成された貫通シーリング部を含む二次電池を提供する。

【0066】

前記二次電池は、前記電極組立体を電池外装材に収納した後に、熱溶着ジグによって電池外装材の周辺角のシーリング部及び前記電極組立体上に貫通口が位置した部分の電池外装材を熱溶着することで、前記貫通シーリング部を形成することができる。

【0067】

このような貫通シーリング部の形成は、電極組立体上に位置した貫通口の形状及び位置と同一の部分に熱溶着が可能なように構成された熱溶着ジグを用いて製造が可能であるが、これに限定されるものではない。

【0068】

このとき、前記二次電池は、正極リードと負極リードが同一の方向に突出された二次電池であり、又は正極リードと負極リードが互いに相反する方向に突出された二次電池でもあり得る。

【0069】

また、電池外装材は、電極組立体を収納するように空間が形成された電極組立体収納空間が、上部又は下部の何れか一方にだけ形成されたものであっても良く、上部と下部の全てに電極組立体の収納空間が形成されたものであっても良い。

【0070】

一方、前記パウチ型外装材は公知の外装材を用いることができ、例えば前記外装材は金属層と樹脂層を含むラミネートシート形態のパウチ型外装材が好ましい。特に、アルミニウムラミネートシートのパウチ型外装材が好ましい。前記ラミネートシートは、高分子フィルムの外部被覆層、金属箔のバリアー層、及びポリオレフイン系列の内部シーラント層で構成されており、前記外部被覆層は外部環境から優れた耐性を有さなければならないため、所定以上の引張強度と耐候性を有することが必要である。そのような側面で、外側樹脂層の高分子樹脂としては、延伸ナイロンフィルム又はポリエチレンテレフタラート(PET)が好ましく用いられる。前記バリアー層はガス、湿気など異物質の流入乃至流出を防止する機能以外に、電池ケースの強度を向上させる機能を発揮することができるように、詳細にはアルミニウムが用いられる。前記内部シーラント層は、熱溶着性(熱接着性)を有して電解液の浸入を抑制するために、吸湿性が低く電解液によって膨張かつ侵食されないポリオレフイン系樹脂が用いられて、さらに詳細には無延伸ポリプロピレン(cPP)が用いられる。

【0071】

さらに、前記外部被覆層と内部シーラント層は2重層以上に形成され、例えば、外部被覆層はPET/ONy層、内部シーラント層はPPa(酸変性(Acid modified)PP/cPPのような二重構造で構成されるが、これに限定されるものではない。

【0072】

また、前記電極リードは、正極の場合、例えば、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル、チタン、タンタル及びニオブからなる群から選ばれる1種以上の金属で形成されるが、これに限定されるものではない。

【0073】

電極リードが負極の場合、例えば、銅、ニッケル、ステンレススチール、及びこれらの合金からなる群から選ばれる1種以上の金属が好ましいが、これに限定されるものではない。その接合方法もレーザーや、超音波溶接のような公知された方法を用いることができ、特に限定されるものではない。

【0074】

本発明に係る二次電池は、小型デバイスの電源に用いられる電池セルに用いられ得るだけでなく、中大型デバイスの電源に用いられる多数の電池セルを含む中大型電池モジュール又は電池パックに単位電池にも好ましく用いられる。

【0075】

前記中大型デバイスでは、パワーツール(Power Tool);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;E-bike、E-scooterを含む電気二輪車;電気ゴルフカート(Electric Golf Cart);電気トラック;電気商用車;電力貯蔵用システムなどを挙げることができるが、これらだけに限定されるものではない。

【0076】

以下では図を参照し、本発明に対して詳しく説明するが、これは本発明のさらに容易い理解のためのものであって、本発明のカテゴリーがそれによって限定されるものではない。

【0077】

図3は、本発明の一実施形態に係る二次電池の分解斜視図が模式的に示されている。

【0078】

図3のパウチ型電池は、本発明の特徴的な事項を除いた残りの事項は、一般的に用いられる従来のパウチ型電池と略同一なので、本発明の特徴的な事項を除いた残りの事項に対する説明は略することができる。

【0079】

図3を参照すると、本発明のパウチ型二次電池は多数の貫通口40が形成された電極組立体10及び電池外装材50を含む。

【0080】

前記貫通口40は、図3で示すように電極組立体の長手方向を基準に両終端が対称となる位置に2個形成することができるが、これに限定されずに、当業者によって自由に設計されることはもちろんである。

【0081】

本発明に含まれる電池外装材50は、従来用いられる公知のパウチ型電池外装材を用いることができる。

【0082】

図4及び図5は、電極組立体を収納して電池外装材をシーリングした状態の二次電池に対する斜視図である。

【0083】

図4を参照すると、本発明に係る二次電池は、収納された電極組立体上に形成された貫通口部分と触れる電池外装材部分を熱溶着などの方法で追加的にシーリングし、貫通シーリング部40を形成することで電極組立体と電池外装材を完全に固定して一体化する。

【0084】

前記貫通シーリング部を形成する追加シーリング段階は、特にその順序を限定せず、電池外装材の角シーリング部をシーリングするときに、同時にシーリングして貫通シーリング部を形成することもでき、二次電池の活性化段階を行った後、最終的に追加シーリングして形成することもできる。

【0085】

前記貫通シーリング部の形成は、電極組立体の貫通口が形成された位置と対応する電池外装材に熱と圧力を加えることができるように形成されたジグを用いて形成することができるが、これに限定されるものではない。

【0086】

図4は、正極リード20と負極リード30が同一の方向に突出された二次電池であって、電極組立体の収納部が下部電池外装材の方にのみ形成された二次電池に対する斜視図であり、図5は、正極リード20と負極リード30が互いに異なる方向に突出され、電極組立体の収納部が下部及び上部電池外装材の全てに形成された二次電池に対する斜視図である。

【0087】

本発明に係る二次電池は、貫通シーリング部の部位にシーリングによってぽこんと入った凹凸が形成され得、パウチ型電極組立体が損傷されることを防止するためには貫通シーリング部の断面を

の形態に形成することが好ましいといえるが、これに限定されるものではない。

【0088】

以下、具体的な実施例を介して本発明の内容をさらに詳しく説明するが、以下の実施例は本発明の効果を例示するためのものであり、本発明のカテゴリーがこれだけに限定されるものではない。

【0089】

実施例1
図3のように、電極組立体の平面積対比3%となる大きさの円形貫通口を、電極組立体の両終端から電極組立体の長さ対比1/6となる間隔ほど離隔された位置に2個の貫通口を形成した電極組立体を形成した。

【0090】

これを電池外装材に収納した後、熱溶着ジグを用いて電池外装材の角シーリング部及び前記貫通口の位置を熱溶着し、貫通シーリング部を含む二次電池を製造した。

【0091】

比較例1
前記貫通口及び貫通シーリング部を形成しないことを除いては、前記実施例1と同じ方法で電池を製造した。

【0092】

実験例1
前記実施例1と比較例1でそれぞれ製造された電池を対象に、前方落下実験を行ってその結果を下記表1に示した。

【0093】

本実験では、それぞれ20個の電池に対して反復的に行い、前方落下実験は電極端子部位が下に向かうように180cmの高さから鉄板上に自由落下させる過程を100回進める過程で行った。

【表1】

【0094】

前記表1でみるように、本発明に係る実施例1の電池は、落下実験で20個の電池全てで短絡が誘発されなかった。すなわち、電極組立体と電池外装材に追加的な貫通シーリング部を形成することで、落下時にも電極組立体が流動しないので二次電池の内部短絡を防止することができた。

【0095】

一方、比較例1による大部分の電池では略85回の落下で電池外装材内部の電極組立体が離脱又は流動して電池の変形及び内部短絡が確認された。また、比較例1の電池では、電解液の注入過程で注入された電解液の量が目標とする注液量に大きく満たないことが確認できた。すなわち、電解液の注入後、同一の時間条件(5分)で電極組立体による電解液の含浸量を比べてみた結果、比較例1の電池は実施例1の電池に比べて約60%の含浸率を示した。

【0096】

したがって、比較例1の電池が同一の電解液含浸量を示すためには遥かに長時間が必要とされることが分かり、これは電池の製造工程時間を長期間延長させなければならないことを意味する。

【0097】

また、本発明の他の側面によれば、一つ以上の貫通口を含むパウチ型二次電池が提供される。

【0098】

このとき、前記貫通口は正極、負極及び分離膜を含む電極組立体、及びこれを含むパウチ外装材に形成され、電極組立体の貫通口とパウチ外装材の貫通口が互いに対応されることができるように同じ位置に形成され、一つ以上の貫通口を含む二次電池を形成する。

【0099】

本発明に係る二次電池は、前記貫通口を介してパウチ外装材と電極組立体をより堅く固定することができ、電極組立体がパウチ外装材内部で流動することを防止して、落下、外部衝撃などのような外力の印加時の安定性を向上させることができるようになる。

【0100】

特に、外部衝撃や揺れが多い電気自動車のような中大型デバイスの電源に用いられる場合、電極組立体の流動に係る内部短絡及びこれによる発熱、発火などの危険を予防して安定性を大きく高めることができる。

【0101】

前記二次電池に形成される貫通口の形状は特に制限されず、円形、楕円形、その他頂点が曲率を有するように処理された曲率図形、四角形、三角形などの様々な模様に形成される。但し、電極組立体に含まれる電極又は分離膜が破れたり損傷されることを防止するためには、できるだけへりや角がない形状に貫通口を形成することが好ましい。したがって、前記貫通口は円形に形成されることが好ましい。

【0102】

前記電極組立体の貫通口とパウチ外装材の貫通口は、それぞれ異なる形状であるか互いに同一の形状であるが、詳細には同一の形状の円形に形成される。

【0103】

また、前記電極組立体の貫通口と、パウチ外装材に形成された貫通口の大きさもまた特に限定しないものであるが、前記電極組立体の貫通口の大きさは対応されるパウチ外装材の貫通口の大きさよりさらに大きいことが好ましい。

【0104】

これは、前記電極組立体の貫通口内周面に沿って、パウチ外装材による追加シーリング部が形成されるようにするためのものであり、これによって、前記電極組立体の貫通口の大きさが、これに対応されるパウチ外装材に形成される貫通口の大きさより大きい程度は前記のように追加シーリング部が形成される程度の面積であれば満たされる。

【0105】

また、本発明に係る前記貫通口の大きさ及び個数も特に制限せず、電池の用途及び形状などによって多様に設計が可能であろう。

【0106】

但し、貫通口の大きさがあまりにも大きかったり、多数の貫通口を形成したりする場合、電池の容量面で不利なことがあるので、前記貫通口は電極組立体とパウチ外装材を固定することができる最小限の大きさ及び個数に形成されることが好ましい。

【0107】

さらに詳細には、前記貫通口が占める全ての面積が電極組立体の平面を基準に2%乃至20%を占めるように構成するものであり得る。前記範囲を脱して貫通口の占める割合がさらに高くなれば、電池の容量が低下される問題があり、前記の割合に到逹しない場合には、効果的に電極組立体を電池外装材と固定し難いからである。

【0108】

本発明の一実施形態では、前記のような面積の割合の範囲内で小さなサイズの多数の貫通口を二次電池の平面上に均等に分布形成することもでき、このとき、多数の貫通口は等間隔で離隔されるように形成することが好ましい。

【0109】

一実施形態で前記多数の貫通口はパウチ型二次電池の長辺に沿って電池の中心部に一列に配置するか、又は二次電池の短辺に沿って電池の中心部に一列に配置されるものであり得る。

【0110】

このとき、両終端に形成される貫通口は終端から同一の間隔で離隔されるように形成して、詳細には両終端から同一の間隔で離隔され、中心を基準に対称とされる位置に2個の貫通口を形成して最小の貫通口の形成で電極組立体と電池外装材が固定され得るようにすることができる。

【0111】

このとき、一つの貫通口の面積は、全体二次電池の平面積を基準に1%〜10%となるように形成することが好ましい。但し、工程の便宜のためには、二次電池の重さ中心となり得る地点、すなわち、電極組立体の中心を基準に長手方向に対称となる両終端に2個の貫通口のみを形成する場合に、電池外装材とのシーリングがより容易かつ便利であるため好ましく、例えば、二次電池の長手方向の長さ(L)に対して両終端からL/6長さほどに離隔された位置に前記貫通口を形成することもできる。

【0112】

一方、前記貫通口は、多数の電極及び分離膜を含む電極組立体を組立てた後にこれを電池外装材に収納した後シーリングして、前記貫通口を形成して追加シーリングすることで形成することもでき、既に予定された模様（形状）と位置に同じく貫通口が形成された電極及び分離膜を用いて、貫通口が形成された電極組立体及び対応される位置に貫通口が形成された電池外装材を用いて製造することもできる。

【0113】

前記のような本発明の電極組立体は、内側に一つ以上の貫通口を含むことで電極組立体を固定することができることはもちろん、さらには電解液の含浸性を大きく高めることもできる。

【0114】

一般的に電解液の含浸性は、電極組立体の内部側へ電解液が浸透し難く含浸性が落ちるのが事実であるが、本発明の電極組立体は、内部に一つ以上の貫通口を含むことで、電解液がこれを介して電極組立体内部にも浸透が可能であるところ、電極組立体の電解液の含浸性が大きく高まる効果がある。

【0115】

但し、貫通口が予め形成された電池外装材を用いる場合には、貫通口部分に対するシーリング工程が全て終わった後に電解液を注入して電池を活性化することが好ましい。そうではなければ、電解液が漏出される危険があるからである。

【0116】

一方、本発明に係る前記電極組立体の形態は特に限定せず、長いシート状の正極及び負極と、その間に分離膜を介在して巻取した構造のジェリーロール型電極組立体;正極、負極及び分離膜を含み、両側の最末端電極が同一であるか又は互いに異なる電極に形成された単位セルを長いフィルム型分離膜の上に多数配置した後、単一方向に巻取したスタック(stack)&フォールディング(folding)型電極組立体;前記長いフィルム型分離膜をジグザグ方向に巻取したZ-スタック&フォールディング型電極組立体;多数の単位セルを積層した構造のスタック型電極組立体などの電極組立体の中で何れか一つであり得る。

【0117】

また、本発明に係る二次電池は、前記電極組立体を電池外装材に収納した後、熱溶着ジグによって電池外装材の周辺角のシーリング部及び前記貫通口が位置した部分の電池外装材を熱溶着するか、溶着後にパンチングなどの方法で貫通口を形成することで前記貫通部を形成することができる。

【0118】

このような貫通部の形成は貫通口の模様（形状）及び位置と同一の部分に熱溶着が可能なように構成された熱溶着ジグを用いて製造が可能だが、これに限定されるものではない。

【0119】

このとき、貫通口の大きさは、電極組立体上に形成された貫通口のサイズよりは小さく形成される。これは、貫通口内部に電池外装材がシーリングとなり得るシーリングマージンが必要だからである。一方、前記二次電池上の貫通口内周面に沿って形成された電池外装材のシーリング部は、以後、電池モジュールに配置されて固定棒や冷却ラインの設置が容易なように何れか一方の方向にシーリングマージンを折ることが好ましい。

【0120】

一方、本発明に係る二次電池は、正極リードと負極リードが同一の方向に突出された二次電池であるか、若しくは正極リードと負極リードが互いに相反する方向に突出された二次電池である。

【0121】

また、電池外装材は、電極組立体を収納するように空間が形成された電極組立体収納空間が、上部又は下部の何れか一方にだけ形成されたものであったり、また、上部と下部の全てに電極組立体の収納空間が形成されたものであったりする。

【0122】

一方、前記パウチ外装材は公知の外装材を用いることができ、例えば、前記外装材は金属層と樹脂層を含むラミネートシート形態のパウチ型外装材が好ましい。特に、アルミニウムラミネートシートのパウチ型外装材が好ましい。前記ラミネートシートは、高分子フィルムの外部被覆層、金属箔のバリアー層、及びポリオレフイン系列の内部シーラント層で構成されており、前記外部被覆層は外部環境から優れた耐性を有さなければならないため、所定以上の引張強度と耐候性を有することが必要である。そのような側面で、外側樹脂層の高分子樹脂としては延伸ナイロンフィルム又はポリエチレンテレフタラート(PET)が好ましく用いられ得る。前記バリアー層は、ガス、湿気などの異物質の流入乃至流出を防止する機能以外に、電池ケースの強度を向上させる機能を発揮することができるように、詳細にはアルミニウムが用いられる。前記内部シーラント層は、熱溶着性(熱接着性)を有して電解液の浸入を抑制するために、吸湿性が低く電解液によって膨張かつ侵食されないポリオレフイン系樹脂が好ましく用いられるし、さらに詳細には無延伸ポリプロピレン(cPP)が用いられる。

【0123】

さらには、前記外部被覆層と内部シーラント層は2重層以上に形成され、例えば外部被覆層はPET/ONy層、内部シーラント層はPPa(酸変性(Acid modified)PP/cPPのような二重構造で構成されもするが、これに限定されるものではない。

【0124】

また、前記電極リードは、正極の場合、例えばアルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル、チタン、タンタル及びニオブからなる群から選ばれる1種以上の金属で形成されるが、これに限定されるものではない。

【0125】

電極リードが負極の場合、例えば、銅、ニッケル、ステンレススチール、及びこれらの合金からなる群から選ばれる1種以上の金属が好ましいが、これに限定されるものではない。その接合方法もレーザーや、超音波溶接のような公知された方法を用いることができ、特に限定されるものではない。

【0126】

本発明に係る二次電池は、小型デバイスの電源に用いられる電池セルに用いられるものだけではなく、中大型デバイスの電源に用いられる多数の電池セルを含む中大型電池モジュール又は電池パックに単位電池としても好ましく用いられ得る。

【0127】

前記のように、本発明に係る二次電池を多数含む電池モジュール又は電池パックは、二次電池に形成された貫通口を介して固定棒を設けることで、多数の二次電池が外部の揺れ又は衝撃などによって離脱かつ流動することを防止することができ、又は前記貫通口を介して冷却ラインを設けることで電池の使用による過熱を防止して、さらには非常時の発熱、発火などを防止することができる効果がある。

【0128】

このとき、前記中大型デバイスでは、パワーツール(Power Tool);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;E-bike、E-scooterを含む電気二輪車;電気ゴルフカート(Electric Golf Cart);電気トラック;電気商用車;電力貯蔵用システムなどを挙げることができるが、これらだけに限定されるものではない。

【0129】

以下では図を参照し、本発明に対して詳しく説明するが、これは本発明のさらに容易い理解のためのものであって、本発明のカテゴリーがそれによって限定されるものではない。

【0130】

図3は、本発明の一実施形態に係る二次電池の分解斜視図が模式的に示されている。

【0131】

図3のパウチ型電池は、本発明の特徴的な事項を除いた残りの事項は、一般的に用いられる従来のパウチ型電池と略同一なので、本発明の特徴的な事項を除いた残りの事項に対する説明は略することができる。

【0132】

図3を参照すると、本発明のパウチ型二次電池は多数の貫通口40が形成された電極組立体10及び電池外装材50を含む。

【0133】

前記貫通口40は、図3に示すように電極組立体の長手方向を基準に両終端の対称となる位置に2個形成することができるが、これに限定されずに、当業者によって自由に設計されることはもちろんである。

【0134】

本発明に含まれる電池外装材50は、従来用いられる公知のパウチ型電池外装材を用いることもでき、又は前記電極組立体に形成された貫通口40と対応される位置に、これより小さな大きさの貫通口が形成された電池外装材を用いることもできる。この場合、前記電池外装材に形成された貫通口の大きさが電極組立体に形成された貫通口の大きさより小さい理由は、貫通口内周面に沿って電池外装材をシーリングするためのシーリングマージンが必要であるからである。

【0135】

図6は本発明に係る二次電池の斜視図である。

【0136】

本発明に係る二次電池は、図6のように二次電池を貫く貫通口40を含み、前記貫通口の内部には内周面に沿って電池外装材がシーリングされたシーリング部が形成される。

【0137】

本発明に係る二次電池は、前記貫通口を介した追加シーリングによって、電極組立体と電池外装材を完全に固定して一体化する。

【0138】

前記貫通口の形成による追加シーリング段階は、特にその順序を限定せず、電池外装材の角シーリング部をシーリングするときに、同時に貫通口の内周面をシーリングすることもでき、二次電池の活性化段階を行った後、最終的に追加シーリングして形成することもできる。但し、電池外装材に貫通口が予め形成されている場合であれば、電池外装材の角シーリング部を形成するとき前記貫通口内周面も又ともにシーリングすることが好ましい。これは電解液注入工程を容易にするためだからである。

【0139】

前記貫通口形成は、貫通口の位置及び形状によって該当部位にシーリングのための加圧が可能なように設計されたジグを用いて形成することができるが、これに限定されるものではない。

【0140】

図6は、正極リード20と負極リード30が同一の方向に突出され、電極組立体の収納部が下部電池外装材の方にのみ形成された二次電池に対する斜視図であるが、これに限定されるものではない。

【0141】

図7は、本発明に係る二次電池50を多数含む電池モジュール110に対するものであり、図8はこのような電池モジュールにおいて、前記多数の二次電池に形成された貫通口40を介して固定棒又は冷却ライン120を設けた実施例に対する斜視図である。

【0142】

本発明に係る電池モジュールは、多数の二次電池を貫通口を介して固定することで外部の圧力による電池の離脱又は流動を防止し、かつ冷却ラインを介して単位電池を適正な温度水準で維持することで電池モジュールの安定性を大きく向上させることができ、性能及び寿命を改善することができる効果を提供する。

【0143】

以下、具体的な実施例を介して本発明の内容をさらに詳しく説明するが、以下の実施例は本発明の効果を例示するためのものであり、本発明のカテゴリーがこれだけに限定されるものではない。

【0144】

実施例2
図6のように、二次電池の平面積対比3%となる大きさの円形貫通口を、二次電池の両終端から二次電池の長さ対比1/6となる間隔ほど離隔された位置に2個の貫通口を形成した二次電池を製造した。

【0145】

これは前記貫通口が、電極組立体及び電池外装材に予め形成されたことを用いたものであり、熱溶着ジグを用いて電池外装材の角シーリング部及び前記貫通口内周面の電池外装材シーリング部マージンを熱溶着して貫通口を形成した。

【0146】

比較例2
前記貫通口を形成しないことを除いては、前記実施例2と同じ方法で二次電池を製造した。

【0147】

実験例2
前記実施例2と比較例2でそれぞれ製造された電池を対象に、前方落下実験を行ってその結果を下記表2に示した。

【0148】

本実験ではそれぞれ20個の電池に対して反復的に行って、前方落下実験は電極端子部位が下に向かうように180cmの高さで鉄板上に自由落下させる過程を100回進める過程で遂行した。

【表2】

【0149】

前記表2でみるように、本発明に係る実施例の電池は、落下実験で20個の電池全てで短絡が誘発されなかった。すなわち、電極組立体と電池外装材に追加的な貫通シーリング部を形成することで、落下時にも電極組立体が流動しないので二次電池の内部短絡を防止することができた。

【0150】

一方、比較例2による大部分の電池では略85回の落下で電池外装材内部の電極組立体が離脱又は流動して電池の変形及び内部短絡が確認された。

【0151】

また、比較例2の電池では、電解液の注入過程で注入された電解液の量が目標とする注液量に大きく満たないことが確認できた。すなわち、電解液の注入後、同一の時間条件(5分)で電極組立体による電解液の含浸量を比べてみた結果、比較例2の電池は実施例2の電池に比べて約60%の含浸率を示した。

【0152】

したがって、比較例2の電池が同一の電解液含浸量を示すためには遥かに長時間が必要とされることが分かり、これは電池の製造工程時間を長期間延長させなければならないことを意味する。

【0153】

以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎないものであって、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者なら本発明の本質的な特性を脱しない範囲で様々な修正及び変形が可能であろう。したがって、本発明に開示された実施例は、本発明の技術思想を限定するためではなく説明するためのものであって、本発明の保護範囲は特許請求の範囲によって解釈されなければならず、その同等な範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものとして解釈されなければならないものである。

【符号の説明】

【0154】

10 電極組立体
20 正極リード
30 負極リード
40 貫通口、貫通シーリング部
50 電池外装材
120 冷却ライン
110 電池モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】