(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-07
(54)【発明の名称】二次電池
(51)【国際特許分類】
H01M 50/342 20210101AFI20231130BHJP
H01M 50/105 20210101ALI20231130BHJP
H01M 50/178 20210101ALI20231130BHJP
H01M 50/186 20210101ALI20231130BHJP
H01M 50/184 20210101ALI20231130BHJP
H01M 50/193 20210101ALI20231130BHJP
H01M 50/531 20210101ALI20231130BHJP
H01M 50/553 20210101ALI20231130BHJP
【FI】
H01M50/342 101
H01M50/105
H01M50/178
H01M50/186
H01M50/184 C
H01M50/193
H01M50/531
H01M50/553
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023531087
(86)(22)【出願日】2022-04-14
(85)【翻訳文提出日】2023-05-23
(86)【国際出願番号】 KR2022005441
(87)【国際公開番号】W WO2022220627
(87)【国際公開日】2022-10-20
(31)【優先権主張番号】10-2021-0048824
(32)【優先日】2021-04-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(31)【優先権主張番号】10-2021-0161761
(32)【優先日】2021-11-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521065355
【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【氏名又は名称】実広 信哉
(72)【発明者】
【氏名】フン-ヒ・リム
(72)【発明者】
【氏名】サン-フン・キム
(72)【発明者】
【氏名】ミン-ヒョン・カン
(72)【発明者】
【氏名】デ-ウォン・ソン
(72)【発明者】
【氏名】ヒュン-キュン・ユ
(72)【発明者】
【氏名】ス-ジ・ファン
【テーマコード(参考)】
5H011
5H012
5H043
【Fターム(参考)】
5H011AA13
5H011CC02
5H011CC06
5H011CC10
5H011DD13
5H011EE04
5H011FF02
5H011HH01
5H011KK00
5H011KK04
5H012AA03
5H012BB04
5H012DD06
5H012EE01
5H012FF08
5H012JJ10
5H043AA04
5H043CA08
5H043JA07
5H043LA33
5H043LA41
(57)【要約】
本発明は、ベント部材を有する二次電池を開示する。前記二次電池は、電極リードが取り付けられた電極組立体と、前記電極リードの一部が電池ケースの外部に露出するように内部に前記電極組立体を収納する収納部を含む電池ケースと、前記電極リードの外面に位置するリードフィルムと、ベント部材と、を含み得る。前記電池ケースは、シーラント樹脂を含み、前記電極組立体の少なくとも一部を密封するために形成されたシーリング部を含み得る。前記リードフィルムは、前記電極リードと前記シーリング部との間に介在され得る。前記ベント部材は、前記シーラント樹脂よりも融点の低いベント樹脂を含み得る。前記ベント部材は、前記リードフィルムと少なくとも一部が重畳または接触し得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電極組立体と、
前記電極組立体に取り付けられた電極リードと、
前記電極リードの一部が電池ケースの外部に露出するように内部に前記電極組立体を収納する収納部、及びシーラント樹脂を含み、前記電極組立体の少なくとも一部を密封するために形成されたシーリング部、を含む電池ケースと、
前記電極リードの外面に位置し、前記電極リードと前記シーリング部との間に介在されるリードフィルムと、
前記シーラント樹脂よりも融点の低いベント樹脂を含み、前記リードフィルムと少なくとも一部が重畳または接触するベント部材と、を含むことを特徴とする、二次電池。
【請求項2】
前記ベント部材が、前記電極リードと所定の距離に離隔していることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項3】
前記ベント部材は、少なくとも一部が前記シーリング部内に位置し、前記収納部へ延び、
前記シーリング部においては、前記ベント部材が前記リードフィルムと離隔し、
前記収納部においては、前記ベント部材は、少なくとも一部が前記リードフィルムと重畳または接触することを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項4】
前記電極リードは、前記電池ケースからY軸に沿って延び、
前記ベント部材が、第1部及び第2部を含み、
前記第1部が、前記リードフィルムと前記第2部との間で前記Y軸に直交するX軸に沿って延び、
前記第2部が、前記Y軸に沿って延びることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項5】
前記ベント部材が、L字形をなすことを特徴とする、請求項4に記載の二次電池。
【請求項6】
前記ベント部材が、前記第1部と前記第2部の交差点にテーパー部を含み、
前記テーパー部が、前記収納部へ延びることを特徴とする、請求項4に記載の二次電池。
【請求項7】
前記第1部は、少なくとも一部が前記リードフィルムと重畳または接触することを特徴とする、請求項4に記載の二次電池。
【請求項8】
前記第1部の外側端部は、前記電極リードが前記電池ケースから離れて延在している領域に隣接する前記シーリング部の内側端部から離隔し、
前記第1部は、前記収納部に位置することを特徴とする、請求項4に記載の二次電池。
【請求項9】
前記第2部が、前記リードフィルムと重畳または接触しないことを特徴とする、請求項4に記載の二次電池。
【請求項10】
前記第2部の幅が、Y軸に沿って細くなることを特徴とする請求項4に記載の二次電池。
【請求項11】
前記第2部が、円形、楕円形、階段形、三角形及び台形の形状うちいずれか一つを有することを特徴とする、請求項4に記載の二次電池。
【請求項12】
前記第2部の厚さが、前記Y軸に沿って減少することを特徴とする、請求項4に記載の二次電池。
【請求項13】
前記ベント部材が前記リードフィルムと重畳または接触する面積は、前記リードフィルムが前記電極リードと重畳しない領域の1%~30%であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項14】
前記ベント樹脂が、炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレンを含むことを特徴とする、請求項1から13のいずれか一項に記載の二次電池。
【請求項15】
前記ベント部材が、100℃~120℃で溶融して前記収納部から前記二次電池の外部へガスをベントすることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項16】
前記ベント部材が、1.5atm以上の圧力でベントされることを特徴とする、請求項15に記載の二次電池。
【請求項17】
前記ベント部材は、100℃以上における最大シーリング強度が6kgf/15mm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項18】
前記ベント部材は、100℃以上における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項19】
前記ベント部材は、常温~60℃における最大シーリング強度が6kgf/15mm以上であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項20】
前記ベント部材は、常温~60℃における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm以上であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項21】
前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレンが、メタロセン触媒の存在下で重合されたものであることを特徴とする、請求項14に記載の二次電池。
【請求項22】
前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレン100重量%を基準にして炭素数6以上のコモノマーの含量が15重量%以下であることを特徴とする、請求項14に記載の二次電池。
【請求項23】
前記ベント樹脂が、4以下の多分散指数(PDI)を有することを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項24】
前記シーラント樹脂の結晶化温度と前記ベント樹脂の結晶化温度との差が10℃以下であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項25】
前記ベント樹脂が100℃~130℃の融点を有することを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項26】
前記ベント樹脂は、重量平均分子量が10万g/mol~40万g/molであることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項27】
前記二次電池は、パウチ型二次電池であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項28】
前記ベント部材は、100℃~120℃における最大シーリング強度が6kgf/15mm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項29】
前記ベント部材は、100℃~120℃における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項30】
前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレン100重量%を基準にして炭素数6以上のコモノマーの含量が5重量%~15重量%であることを特徴とする、請求項14に記載の二次電池。
【請求項31】
前記ベント樹脂が、1~4の多分散指数を有することを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項32】
前記ベント部材は、120℃以上における最大シーリング強度が3kgf/15mm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【請求項33】
前記ベント部材は、120℃以上における平均シーリング強度が2kgf/15mm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
【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、ベント部材を備える二次電池に関する。
【0002】
本出願は、2021年4月14日出願の韓国特許出願第10-2021-0048824号及び2021年11月22日出願の韓国特許出願第10-2021-0161761号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
【背景技術】
【0003】
二次電池は、多様な製品への適用が可能であり、高いエネルギー密度などの電気的特性が優秀である。二次電池は、携帯用器機のみならず、電力によって駆動される電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)にも使用される。二次電池は、化石燃料の使用を大幅減らすことができ、エネルギー消費過程で副産物が発生しないという点で環境に優しく、エネルギー効率の向上のための新しいエネルギー源として注目されている。
【0004】
現在、広く使用される二次電池としては、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。
【0005】
二次電池は、通常、正極/分離膜/負極の構造を有する少なくとも一つの単位セルを含む電極組立体が、外層、金属バリアー層、シーラント層が順次に積層されたラミネートシートの電池ケースに収納され、前記シーラント層のシーラント樹脂を溶着して電極組立体が密封された構造を有する。
【0006】
従来の二次電池においては、二次電池の内部短絡、過充電または過放電、温度調節などの多様な原因によって電池が発火し得る。この際、二次電池の内部温度が急上昇すると共に隣接するセルヘ熱が伝達される熱暴走現象(Thermal Propagation)が発生して炎がさらに大きくなり得る。
【0007】
熱暴走現象の発生時、即ち、二次電池の内部温度が上昇すると、ガスによる電極の損傷を最小化するために、ガスを一方向へ排出するディレクショナルベンティング(Directional Venting)特性が求められる。しかし、従来の二次電池は、特定の方向へのガス排出を誘導しにくいという問題点がある。
【0008】
そこで、本発明は、特定の方向へのガス排出を誘導して安全性が向上した二次電池を提供することを目的とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、特定の方向へのガス排出が誘導可能になることで、安全性が向上した二次電池を提供することを特的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の課題を達成するために、本発明の一面によれば、下記の具現例の二次電池が提供される。
【0011】
第1具現例は、
電極組立体と、
前記電極組立体に取り付けられた電極リードと、
前記電極リードの一部が電池ケースの外部に露出するように内部に前記電極組立体を収納する収納部、及びシーラント樹脂を含み、前記電極組立体の少なくとも一部を密封するために形成されたシーリング部、を含む電池ケースと、
前記電極リードの外面に位置し、前記電極リードと前記シーリング部との間に介在されるリードフィルムと、
前記シーラント樹脂よりも融点の低いベント樹脂(以下、「ベント樹脂」とする。)を含み、前記リードフィルムと少なくとも一部が重畳または接触するベント部材と、を含むことを特徴とする二次電池に関する。
【0012】
第2具現例は、第1具現例において、
前記ベント部材は、前記電極リードと所定の距離に離隔し得る。
【0013】
第3具現例は、第1具現例または第2具現例において、
前記ベント部材は少なくとも一部が前記シーリング部内に位置し、前記収納部へ延び、前記シーリング部においては、前記ベント部材が前記リードフィルムと離隔し、前記収納部においては、前記ベント部材は少なくとも一部が前記リードフィルムと重畳または接触し得る。
【0014】
第4具現例は、第1具現例から第3具現例のいずれか一具現例において、
前記電極リードは前記電池ケースからY軸に沿って延び、前記ベント部材は第1部及び第2部を含み、前記第1部は前記リードフィルムと前記第2部との間で前記Y軸に直交するX軸に沿って延び、前記第2部は前記Y軸に沿って延び得る。
【0015】
第5具現例は、第4具現例において、
前記ベント部材は、L字形をなし得る。
【0016】
第6具現例は、第4具現例において、
前記ベント部材は、前記第1部と前記第2部の交差点にテーパー部(tapering section)を含み、前記テーパー部は、前記収納部へ延び得る。
【0017】
第7具現例は、第4具現例から第6具現例のいずれか一具現例において、
前記第1部は、少なくとも一部が前記リードフィルムと重畳または接触し得る。
【0018】
第8具現例は、第4具現例から第7具現例のいずれか一具現例において、
前記第1部の外側端部は、前記電極リードが前記電池ケースから離れて延在している領域に隣接する前記シーリング部の内側端部から離隔し、前記第1部は、前記収納部に位置し得る。
【0019】
第9具現例は、第4具現例から第8具現例のいずれか一具現例において、
前記第2部は、前記リードフィルムと重畳または接触しないことがある。
【0020】
第10具現例は、第4具現例から第9具現例のいずれか一具現例において、
前記第2部の幅は、Y軸に沿って細くなり得る。
【0021】
第11具現例は、第4具現例から第10具現例のいずれか一具現例において、
前記第2部は、円形、楕円形、階段形、三角形及び台形の形状うちいずれか一つを有し得る。
【0022】
第12具現例は、第4具現例から第11具現例のいずれか一具現例において、
前記第2部の厚さは、前記Y軸に沿って減少し得る。
【0023】
第13具現例は、第1具現例から第12具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント部材が前記リードフィルムと重畳または接触する面積は、前記リードフィルムが前記電極リードと重畳しない領域の1%~30%であり得る。
【0024】
第14具現例は、第1具現例から第13具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント樹脂が、炭素数6以上のコモノマー(comonomer)を有する線状低密度ポリエチレンを含み得る。
【0025】
第15具現例は、第1具現例から第14具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント部材が、100℃~120℃で溶融して前記収納部から前記二次電池の外部へガスをベントし得る。
【0026】
第16具現例は、第15具現例において、
前記ベント部材が1.5atm以上の圧力でベントされ得る。
【0027】
第17具現例は、第1具現例から第16具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント部材は、100℃以上における最大シーリング強度が6kgf/15mm未満であり得る。
【0028】
第18具現例は、第1具現例から第17具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント部材は、100℃以上における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm未満であり得る。
【0029】
第19具現例は、第1具現例から第18具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント部材は、常温~60℃における最大シーリング強度が6kgf/15mm以上であり得る。
【0030】
第20具現例は、第1具現例から第19具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント部材は、常温~60℃における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm以上であり得る。
【0031】
第21具現例は、第14具現例から第20具現例のいずれか一具現例において、
前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレンが、メタロセン触媒の存在下で重合されたものであり得る。
【0032】
第22具現例は、第14具現例から第21具現例のいずれか一具現例において、
前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレン100重量%を基準にして炭素数6以上のコモノマーの含量が15重量%以下であり得る。
【0033】
第23具現例は、第1具現例から第22具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント樹脂が、4以下の多分散指数(Poly Dispersity Index;PDI)を有し得る。
【0034】
第24具現例は、第1具現例から第23具現例のいずれか一具現例において、
前記シーラント樹脂の結晶化温度と前記ベント樹脂の結晶化温度との差が10℃以下であり得る。
【0035】
第25具現例は、第1具現例から第24具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント樹脂が100℃~130℃の融点を有し得る。
【0036】
第26具現例は、第1具現例から第25具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント樹脂は、重量平均分子量が10万g/mol~40万g/molであり得る。
【0037】
第27具現例は、第1具現例から第26具現例のいずれか一具現例において、
前記二次電池はパウチ型二次電池であり得る。
【0038】
第28具現例は、第1具現例から第27具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント部材は、100℃~120℃における最大シーリング強度が6kgf/15mm未満であり得る。
【0039】
第29具現例は、第1具現例から第28具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント部材は、100℃~120℃における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm未満であり得る。
【0040】
第30具現例は、第14具現例から第29具現例のいずれか一具現例において、
前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレン100重量%を基準にして炭素数6以上のコモノマーの含量が5重量%~15重量%であり得る。
【0041】
第31具現例は、第1具現例から第30具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント樹脂が1~4の多分散指数(PDI)を有し得る。
【0042】
第32具現例は、第1具現例から第31具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント部材は、120℃以上における最大シーリング強度が3kgf/15mm未満であり得る。
【0043】
第33具現例は、第1具現例から第32具現例のいずれか一具現例において、
前記ベント部材は、120℃以上における平均シーリング強度が2kgf/15mm未満であり得る。
【発明の効果】
【0044】
本発明の一実施様態による二次電池は、前記電池ケースのシーラント樹脂よりも融点の低いベント樹脂を含むベント部材を含み、前記ベント部材に向かってガスが排出されることが可能である。これによって、電池の安全性が向上する。
【0045】
本発明の一実施様態による二次電池は、電極リードと直接接触するようにベントされるガスの量を最小化することで電池の安全性をさらに向上させることができる。
【0046】
本発明の一実施様態による二次電池が、リードフィルムと部分的に重畳または接触する領域を有するベント部材を含むことで、ベント部材を二次電池に便利かつ正確に位置させることが可能である。
【0047】
本明細書に添付された次の図面は、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果たすため、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。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【
図1】本発明の一実施様態による二次電池の平面図である。
【
図2】
図1の二次電池のA部分を部分的に拡大して示した平面図である。
【
図3】本発明の一実施様態による二次電池において、ベント形成を概略的に示す図である。
【
図4】本発明のさらに他の実施様態による二次電池のリードフィルム及びベント部材を部分的に拡大して示した平面図である。
【
図5】本発明のさらに他の実施様態による二次電池のリードフィルム及びベント部材を部分的に拡大して示した平面図である。
【
図6】本発明のさらに他の実施様態による二次電池のリードフィルム及びベント部材を部分的に拡大して示した平面図である。
【
図7】本発明のさらに他の実施様態による二次電池のリードフィルム及びベント部材を部分的に拡大して示した平面図である。
【
図8a】本発明の一実施様態による
図2のB-B軸に沿って見たベント部材の断面図である。
【
図8b】本発明のさらに他の実施様態による
図2のB-B軸に沿って見たベント部材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0049】
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、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的または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じた意味及び概念で解釈されねばならない。
【0050】
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。
【0051】
本発明の一実施様態による二次電池は、電極リードが取り付けられた電極組立体と、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する収納部、及びシーラント樹脂を含み、前記電極組立体を密封するために形成されたシーリング部を含む電池ケースと、前記電極リードの外面の一部を囲むように形成され、前記電極リードと前記電池ケースのシーリング部との間に介在されるリードフィルムと、前記シーラント樹脂よりも融点の低い樹脂を含み、前記リードフィルムと少なくとも一部が重畳または接触するベント部材と、を含む。
【0052】
図1は、本発明の一実施様態による二次電池を示す。二次電池10は、電極リード11が取り付けられた電極組立体12と、電池ケース13と、を含む。
【0053】
前記電極組立体12は、正極板、負極及び分離膜を含む。電極組立体12は、分離膜を挟んで正極板と負極板が順次に積層され得る。正極板は、導電性に優れた金属薄板、例えば、アルミニウム(Al)ホイルからなる正極集電体と、その少なくとも一面にコーティングされた正極活物質層と、を含み得る。また、前記正極板は、一側端部に金属材質、例えば、アルミニウム材質からなる正極タブを含み得る。前記正極タブは、正極板の一側端部から突出し得る。前記正極タブは、正極板の一側端部に溶接されるか、または導電性接着剤を用いて接合され得る。
【0054】
負極板は、導電性金属薄板、例えば、銅(Cu)ホイルからなる負極集電体と、その少なくとも一面にコーティングされた負極活物質層と、を含み得る。また、前記負極板は、一側端部に、金属材質、例えば、銅やニッケル(Ni)材質から形成された負極タブを含み得る。前記負極タブは、負極板の一側端部から突出し得る。前記負極タブは、負極板の一側端部に溶接されるか、または導電性接着剤を用いて接合され得る。
【0055】
分離膜は、正極板と負極板との間に位置し、正極板と負極板を互いに電気的に絶縁させる。前記分離膜は、正極板と負極板との間でリチウムイオンが互いに通過可能な多孔性膜であり得る。前記分離膜は、例えば、ポリエチレン(PE)、またはポリプロピレン(PP)、またはこれらの複合フィルムを使用した多孔性膜を含み得る。
【0056】
分離膜の表面には、無機物コーティング層が備えられ得る。無機物コーティング層は、無機物粒子がバインダーによって互いに結合して粒子の間に気孔構造(interstitial volume;インタースティシャルボリューム)を形成した構造を有し得る。
【0057】
電極組立体12は、長いシート状の正極と負極を分離膜が介在された状態で巻き取っ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った複数の正極と負極を、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、所定の単位の正極と負極を、分離膜を介在した状態で積層したバイセル(Bi-cell)またはフルセル(Full cell)を巻き取った構造のスタック/フォールディング型電極組立体などであり得る。
【0058】
前記電池ケース13は、
図1に示したように、電極組立体12を収納する収納部13aと、シーラント樹脂を含み、電極組立体12を密封するために形成されたシーリング部13bと、を備え得る。
【0059】
本発明の一実施様態で、前記電池ケース13は、外部衝撃から保護するための外層と、水分を遮断する金属バリアー層と、電池ケースを密封するシーラント層との多層構造のフィルム形態で備えられ得る。
【0060】
前記外層は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート、共重合ポリエステル、ポリカーボネート、ナイロンなどを用いたポリエステル系フィルムを含むことができ、単層または多層から構成され得る。前記金属バリアー層は、アルミニウム、銅などを含み得る。前記シーラント層は、単一層または多層から構成され得る。
【0061】
前記シーラント樹脂は、ポリプロピレン(PP)、酸変性ポリプロピレン(Acid modified polypropylene;PPa)、ランダムポリプロピレン(random polypropylene)、エチレンプロピレン共重合体、またはこれらの二種以上を含み得る。前記エチレンプロピレン共重合体は、エチレンプロピレンゴム(ethylene-propylene rubber)、エチレンプロピレンブロック共重合体などを含み得るが、これらに限定されない。
【0062】
本発明の一実施様態において、前記電池ケース13は、パウチ形態であり得る。パウチ形態の電池ケース13は、上部パウチ及び下部パウチを含み得る。電池ケース13が上部パウチ及び下部パウチを含む場合、シーラント樹脂が互いに対向するように上部パウチ及び下部パウチを配置した後、対向するシーラント樹脂が熱と圧力によって相互に溶着することで電池を密封し得る。
【0063】
前記シーリング部13bとは、収納部13aの外周面に沿って溶着され、電極組立体12を密封する部分を意味する。溶着は、熱溶着、超音波による溶着であり得るが、シーリング部を溶着可能であれば、得に制限されない。
【0064】
シーリング部13bは、一部の実施様態において、電池ケース13の周縁で四面シーリングまたは三面シーリングされ得る。三面シーリング構造において、上部パウチ及び下部パウチが一体に形成された後、上部パウチと下部パウチの境界面を折り曲げて上部パウチ及び下部パウチに形成された収納部13aを重ねた状態で折曲部を除いた残りの三面の周縁がシーリングされる。
【0065】
前記電極リード11は、
図1に示したように、電極リード11の一部が前記電池ケース13の外部に露出するように電池ケース13に収納され得る。
【0066】
本発明の一実施様態による二次電池10は、リードフィルム14を備える。前記リードフィルム14は、前記電極リード11の外面の一部を囲む。前記リードフィルム14は、電極リード11と電極リード11が電池ケース13から突出または延長する部分の電池ケース13のシーリング部13bとの間に介在され、電極リード11と前記電池ケース13のシーリング部13bとの結着を助ける。
【0067】
図1を参照すると、本発明の一実施様態による二次電池10は、リードフィルム14と少なくとも部分的に重畳または接触する領域を有するベント部材15を含む。熱暴走現象の発生時、前記ベント部材15は、特定の方向へガスの排出を誘導して電池の安全性を向上させることができる。
【0068】
本発明において、ベント部材15は、シーラント樹脂よりも融点の低いベント樹脂を含む。ベント部材が電池ケースのシーラント樹脂よりも融点の低いベント樹脂を含むことで、高温でベント部材15がシーラント樹脂よりも先に溶ける。高温でベント部材15が挿入された部分のシーリング強度は、シーラント樹脂を含むケース部分のシーリング強度よりも低いので、ベンティング特性を容易に具現可能である。
【0069】
図3は、本発明の一実施様態による二次電池において、ベント形成を概略的に示した図である。具体的には、
図3は、本発明の一実施様態による二次電池においてベント部材を示した断面図である。
【0070】
図3を参照すると、電池が正常に作動する温度で、ベント部材は電池ケース13を外部から密封する役割を果たす。電池の異常作動によって電池の温度が上昇すると、ベント部材15が溶融しながらベント部材15が挿入された部分のシーリング強度が低下する。これによって、ベント部材15が挿入された部分のシーリング強度が低くなることで、この位置にベントが形成され得る。例えば、電池内部のガスの圧力がベント部材15と電池ケース13との界面に加えられることによって、ベント部材とケースとの間に隙間またはベントが形成され、二次電池からガスが排出され得る。
【0071】
前記ベント部材15と電池ケース13は、熱溶着によって重ねられ得る。他の例で、前記ベント部材15と電池ケース13は、グルーなどの接着剤によって重ねられ得る。さらに他の例で、前記ベント部材15と電池ケース13は、クリップなどによって物理的に相互に結合し得る。さらに他の例で、電池ケース13を構成するフィルム、例えば、シーラント樹脂内にベント部材15の少なくとも一部が埋め込まれ得る(embedding)。
【0072】
図1を参照すると、ベント部材15は、リードフィルム14と少なくとも部分的に重畳または接触する領域を有するように位置する。ベント部材15は、リードフィルム14と少なくとも一部が重畳または接触する領域を備えるため、ベント部材15の位置を一定に固定しやすい。例えば、ベント部材15を挿入した後に溶着する場合、ベント部材15の一部がリードフィルム14と重畳または接触するため、ベント部材15が所定の位置に挿入されて溶着され得る。
【0073】
本発明の一実施様態において、ベント部材15は、
図1に示したように、電極リード11が外部に露出する側のシーリング部に位置し得る。ベント部材15は、シーリング部13bの内部に位置し得る。または、ベント部材15は、部分的にシーリング部13bの内部に位置し、収納部13aへ延び得る。または、ベント部材15は、収納部13aからシーリング部13bを通して電池ケース13の外部へ延び得る。
【0074】
ベント部材15は、電極リード11と所定の距離で離隔して位置し得る。これによって、電極リード11と直接接触し得る方向、即ち、電極リード11の側面でベントされるガスの量を容易に最小化できるので、電池の安全性をさらに向上させることができる。
図2においてガス排出方向を矢印で示したように、ガス排出は、電極リード11から遠い方向へ誘導される。電極リード11の温度は、過充電または内部短絡のような異常状況で急上昇し得る。これによって、ベントされるガスと電極リード11との直接的な接触を最小化すると、二次電池の安全性が向上し得る。
【0075】
本発明のさらに他の実施様態において、ベント部材15は、電極リード11と隣接する電池ケース13のコーナーのシーリング部13bに位置し得る。ベント部材15が前述した部分に位置することによって、電極リード11の側面でベントされるガスの量を最小化して電池の安全性をさらに向上させることができる。
【0076】
本発明の一実施様態において、ベント部材15は、シーリング部13bにおいてリードフィルム14と離隔し、収納部13aにおいてリードフィルム14と少なくとも部分的に重畳または接触し得る。ベント部材15がシーリング部13bにおいてリードフィルム14と重畳または接触しないことで、即ち、ベント部材15が電極リード11から離れて位置することによって、電極リード11の側面でベントされるガスの量を最小化でき、電池の安全性をさらに向上させることができる。
【0077】
図2を参照すると、電極リード11の突出方向をY軸にし、Y軸と直交する方向をX軸にすると、ベント部材15は、X軸方向へ延びるブリッジ部のような第1部15bと、Y軸方向へ延びる本体部のような第2部15aと、を含み得る。
【0078】
本発明の一実施様態において、ベント部材15は、
図2示したように、L字形状を有し得る。
【0079】
本発明のさらに他の実施様態において、ベント部材15は、
図4に示したように、第2部15aの内側端部が切断されてテーパー部(tapering section)を形成するように構成され得る。例えば、第2部15aは、Y軸と直交しない方向へ切断され得る。ベント部材15が前述したような形状を有する場合、収納部13aの内部で電極組立体12が第2部15aの内側端部、即ち、テーパー部と接触することをさらに容易に防止可能である。
【0080】
ここで、第2部15aでは実質的にベントが発生し、第1部15bでは実質的にベントが発生しないことがある。
【0081】
本発明の一実施様態において、前記第1部15bは長方形の形状であり得る。例えば、X軸方向へ前記第1部の長辺が位置し、Y軸方向へ前記第1部の短辺が位置し得る。
【0082】
本発明の一実施様態において、前記第2部15aは、長方形の形状であり得る。例えば、X軸方向へ前記第2部の短辺が位置し、Y軸方向へ前記第2部の長辺が位置し得る。
【0083】
図2を参照すると、第1部15bは、リードフィルム14と少なくとも部分的に重畳または接触し得る。
【0084】
第1部15bの一部とリードフィルム14の一部は、熱溶着によって重畳または接触し得る。他の例で、第1部15bの一部とリードフィルム14の一部とがグルーのような接着剤によって重畳または接触し得る。他の例で、第1部15bの一部とリードフィルム14の一部とがクリップなどによって物理的に結合し得る。他の例で、第1部15bの一部は、リードフィルム14を構成するフィルムに埋め込まれ得る。
【0085】
図2を参照すると、ベント部材15の第2部15aとリードフィルム14は、互いに重畳または接触しなくてもよい。例えば、第2部15aとリードフィルム14は、シーリング部13bにおいて互いに重畳または接触しないことがある。ベント部材15の第2部15aとリードフィルム14とが重畳または接触しない場合、電極リード11の側面でベントされるガスの量が最小化され、電池の安全性がさらに向上できる。
【0086】
本発明の一実施様態において、ベント部材がリードフィルムと重畳または接触する領域は、リードフィルムが電極リードと重畳または接触しない領域の1%~30%、または1.3%~23%、または1.5%~12%、または2%~9%であり得る。ここで、リードフィルムが電極リードと重畳しない領域は、電極リードとリードフィルムが重畳しないリードフィルムの両領域の和を意味する。
【0087】
図2を参照すると、第1部15bの外側端部は、電極リード11が突出した領域におけるシーリング部13bの内側端部と離隔し得る。ここで、「ベント部材の第1部の外側端部」とは、シーリング部13bに近い第1部15bの端部を意味する。「シーリング部の内側端部」とは、収納部13aに近いシーリング部の端部を意味する。電極リード11が突出した領域において第1部15bの外側端部がシーリング部13bの内側端部と離隔すると、第1部15b全体が収納部13aに位置する。これによって、第1部15bとシーリング部13bとの間の隙間または空間が収納部13aに露出し、結果的には、この隙間または空間にガス圧力が集中することで、異常状況でより迅速なベンティングが可能になる。
【0088】
本発明の一実施様態において、第2部15aは、電極リード11の突出方向に沿って細くなる構造を有し得る。第2部15aの幅は、電極リード11の突出方向に沿って連続的にまたは不連続的に細くなり得る。第2部15aが電極リード11の突出方向に沿って細くなる構造を有する場合、ベントされるガスの排出角度を減らして電極リード11の側面へベントされるガスの量を最小化することで、電池の安全性をさらに向上させることができる。
【0089】
図5~
図7は、本発明の他の実施様態による二次電池10において、リードフィルム14及びベント部材15を部分的に拡大して示した図である。
【0090】
図5及び
図6を参照すると、第2部15aは、例えば、楕円形または階段形の形状を有し得る。しかし、第2部15aの形状は、円形、三角形、台形などのような他の形状を有し得る。
【0091】
図7に示したように、第2部15aは、非対称の階段形の構造を有し得る。非対称の階段形の構造において、ベントされるガスと電極リード11との直接的な接触が最小化するように階段の間にオフセットが形成され得る。例えば、ベント部材15の排出端部の大きさ(ベントされるガスの排気角度)及び位置(電極リード11からの距離)は、
図7に示したように、ベントされるガスと電極リードとの接触を最小化するように構成され得る。このように、電極リード11から離れてガスを誘導するためにベント部材の排出端部の大きさを減らし、電極リードから離れて排出端部を位置させることで、ベントされるガスと電極リードとの接触を最小化できる。この場合、ベントされるガスの排出方向は、
図7に示したように電極リード11の側面からより離隔し得る。
【0092】
本発明の一実施例において、第2部15aの厚さは、
図8a及び
図8bに示したように電極リード11の突出方向に沿って連続的にまたは不連続的に減少し得る。
【0093】
図8a及び
図8bは、
図2のB-B軸に沿ったベント部材15の断面図である。
【0094】
図8aに示したように、第2部15aの厚さは、段差に沿って不連続的に減少し得る。
図8bは、第2部15aの厚さが連続的に減少するベント部材15のさらに他の実施様態を示す。
【0095】
本発明の一実施様態で、前記シーラント樹脂よりも融点が低いベント樹脂は、炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレンを含み得る。前記ベント樹脂が炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレンを含むことで、正常の温度範囲ではシーラント樹脂との密封性が優秀であり、高温でベント部材15が挿入された電池ケースのシーリング部13bのシーリング強度が低下してベンティングを実現または誘発し得る。
【0096】
本発明の一実施様態で、前記シーラント樹脂よりも融点が低いベント樹脂が炭素数6~8のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレンを含み得る。
【0097】
本発明の一実施様態で、前記シーラント樹脂よりも融点が低いベント樹脂は、100℃~130℃、または105℃~125℃、または110℃~120℃の融点を有し得る。前記ベント樹脂の融点が前述した範囲を満たす場合、高温、例えば、100℃以上でベント部材15が挿入された電池ケースのシーリング部13bのシーリング強度が低下して、さらに容易にベント特性を具現できる。
【0098】
前記シーラント樹脂よりも融点が低いベント樹脂の融点は、示差走査熱量計(Differential scanning calorimeter; DSC)を用いて測定し得る。例えば、試料の温度を30℃から10℃/分で280℃まで増加させた後、280℃で10分間維持し、10℃/分で30℃まで冷却した後、30℃で10分間維持する。その後、試料の温度を30℃から10℃/分で280℃まで増加させた後、280℃で10分間温度を維持して融点を測定し得る。
【0099】
本発明の一実施様態において、前記ベント部材15は100℃~120℃でベント可能であり、収納部から電池の外部へガスを排出または排気できる。特に、前記ベント部材15は、100℃~120℃で1.5atm以上の圧力でベントされ得る。前記ベント部材15が前述した温度範囲及び/または前述した圧力条件でベントされることによって、電池が正常作動する場合には電池が密封され、電池の異常作動時のみにガスの排出をより容易に誘導できる。
【0100】
本発明の一実施様態で、前記ベント部材15は、100℃以上における最大シーリング強度が6kgf/15mm未満、または5kgf/15mm未満、または4.5kgf/15mm未満であり得る。本発明の一実施様態で、前記ベント部材15は、100℃~120℃における最大シーリング強度が6kgf/15mm未満、または5kgf/15mm未満、または4.5kgf/15mm未満であり得る。本発明の一実施様態で、前記ベント部材15は、120℃以上における最大シーリング強度が3kgf/15mm未満、または2kgf/15mm未満、または1kgf/15mm未満、または0.5kgf/15mm未満であり得る。前記ベント部材15が前述した温度範囲で前述したシーリング強度を満たす場合、高温、例えば、100℃以上でベント部材15が挿入された電池ケースのシーリング部13bのシーリング強度が低下するようになり、より容易にベント特性が具現され得る。
【0101】
また、本発明の一実施様態で、前記ベント部材15は、常温~60℃における最大シーリング強度が6kgf/15mm以上、または8kgf/15mm以上、または10kgf/15mm以上であり得る。前記ベント部材15が前述した温度範囲で前述したシーリング強度を満たす場合、電池の正常作動時に優秀なシーリング強度を有するようになり、より容易に電池の密封性を確保できる。
【0102】
本発明の一実施様態で、前記ベント部材15は、100℃以上における最大シーリング強度が6kgf/15mm未満であり、前記ベント部材15は、常温~60℃における最大シーリング強度が6kgf/15mm以上であり得る。前記ベント部材15が前述したシーリング強度を満たす場合、高温でベント部材15が挿入された電池ケースのシーリング部13bのシーリング強度が低下するようになり、ベント特性を容易に具現可能である。また、電池の正常作動時には、優秀なシーリング強度を有するようになり、電池の密封性をより容易に確保することができる。
【0103】
本発明の一実施様態で、前記ベント部材15は、100℃以上における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm未満、または3kgf/15mm未満であり得る。本発明の一実施様態で、前記ベント部材15は、100℃~120℃における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm未満、または3kgf/15mm未満であり得る。本発明の一実施様態で、前記ベント部材15は、120℃以上における平均シーリング強度が2kgf/15mm未満、または1kgf/15mm未満、または0.5kgf/15mm未満であり得る。前記ベント部材15が前述した温度範囲で前述したシーリング強度を満たす場合、高温でベント部材15が挿入された電池ケースのシーリング部13bのシーリング強度が低下するようになり、より容易にベント特性が具現可能である。
【0104】
本発明の一実施様態で、前記ベント部材15は、常温~60℃における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm以上、または5kgf/15mm以上、または6kgf/15mm以上、または7kgf/15mm以上であり得る。前記ベント部材15が前述した温度範囲で前述したシーリング強度を満たす場合、電池の正常作動時に優秀なシーリング強度を有するようになり、より容易に電池の密封性を確保できる。
【0105】
本発明の一実施様態で、前記ベント部材15が、100℃以上における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm未満であり、常温~60℃における平均シーリング強度が4.5kgf/15mm以上であり得る。前記ベント部材15が前述した温度範囲で前述したシーリング強度を有する場合、高温でベント部材15が挿入された電池ケースのシーリング部13bのシーリング強度が低下するようになり、より容易にベント特性が具現できる。また、電池の正常作動時に優秀なシーリング強度を有するようになり、電池の密封性をより容易に確保できる。
【0106】
温度によるベント部材15のシーリング強度は、ベント部材15が挿入されたシーリング部の電池ケースの一部を幅15mm、長さ5cmに裁断した後、両端を180゜に開けてUTMジグを使用して把持した後、5mm/分の速度で引張テストを行って測定し得る。
【0107】
この際、最大シーリング強度は、電池ケースが破断するときの最大値を意味し、平均シーリング強度は、最大シーリング強度が4.5kgf/15mm以上である場合には4.5kgf/15mmで電池ケースが8mm延伸したときの平均値を意味し、最大シーリング強度が4.5kgf/15mm未満である場合には、最大シーリング強度で電池ケースが8mm延伸したときの平均値を意味する。
【0108】
本発明の一実施様態で、前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレンはメタロセン触媒の存在下で重合したものであり得る。前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレンがメタロセン触媒の存在下に重合したものである場合、ジーグラーナッタ触媒の存在下で重合した場合よりもシーリング強度及び物性の面でより有利となり得る。
【0109】
本発明の一実施様態で、前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレンにおける前記炭素数6以上のコモノマーの含量が、前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレン100重量%に対して15重量%以下、または12重量%以下、または11.8重量%以下、または10重量%以下、または9重量%以下、または8重量%以下、または7.6重量%以下であり得る。これと同時に、前記炭素数6以上のコモノマーの含量が、前記炭素数6以上のコモノマーを有する線状低密度ポリエチレン100重量%に対して、5重量%以上、または7.6重量%以上、または8重量%以上、または9.0重量%以上、または10重量%以上、または11.8重量%以上、または12重量%以上であり得る。炭素数6以上のコモノマーの含量が前述した範囲を満たす場合、分子間のパッキング密度が減少して、電池の正常作動時にシーリング強度が低くなる問題をより容易に防止できる。
【0110】
前記炭素数6以上のコモノマーの含量は、H-NMRで測定し得る。例えば、試料約10mgをトリクロロエチレン溶媒約0.6mLにヒートガン(heat gun)を用いて完全に溶解した後、NMRチューブにサンプリングし、1H-NMRまたは13C-NMRを用いて測定し得る。
【0111】
本発明の一実施様態で、前記シーラント樹脂よりも融点が低いベント樹脂の重量平均分子量が10万g/mol~40万g/mol、または20万g/mol~35万g/mol、または23万g/mol~30万g/molであり得る。前記ベント樹脂の重量平均分子量が前述した範囲を満たす場合、電池の正常作動時にシーラント樹脂とのシーリング強度がより向上し得る。
【0112】
本発明の一実施様態で、前記シーラント樹脂よりも融点が低いベント樹脂の多分散指数(Poly Dispersity Index;PDI)は4以下、または3.8以下、または3.796以下、または3.5以下、または3.023以下、または3以下、または2.7以下、または2.674以下であり得る。また、多分散指数 (PDI)は1.0以上であり得る。前記ベント樹脂の多分散指数が前述した範囲を満たす場合、分子量分布が狭くなり、電池の正常作動時にシーラント樹脂とのシーリング強度及び物性がさらに優秀になる。
【0113】
前記シーラント樹脂よりも融点が低いベント樹脂の重量平均分子量及び多分散指数は、ゲル透過クロマトグラフィー(gel permeation chromatography;GPC)によって下記の条件で測定したものであり得る。
【0114】
- カラム:Tosoh社 HLC-8321 GPC/HT
- 溶媒:トリクロロベンゼン(trichlorobenzene;TCB)+0.04%BHT(after drying with 0.1% CaCl2)
- 流速:1.0ml/分
- 試料濃度:1.5mg/ml
- 注入量:300μl
- カラム温度:160℃
- Detector:RI detector
- Standard:ポリスチレン(三次関数に補正)
【0115】
本発明の一実施様態で、シーラント樹脂の結晶化温度とシーラント樹脂よりも低い融点を有するベント樹脂の結晶化温度が類似であり得る。例えば、シーラント樹脂の結晶化温度とシーラント樹脂よりも低い融点を有するベント樹脂の結晶化温度の差が10℃以下、または5℃以下であり得る。また、シーラント樹脂の結晶化温度とベント樹脂の結晶化温度の差が0.1℃以上であり得る。前記シーラント樹脂の結晶化温度とベント樹脂の結晶化温度の差が前述した範囲を満たす場合、前記シーラント樹脂とベント樹脂の電池の正常作動時の溶着特性がさらに向上し得る。
【0116】
本発明の一実施形態で、シーラント樹脂よりも低い融点を有するベント樹脂の結晶化温度が90℃~115℃、または95℃~110℃、または100℃~110℃、または105℃~110℃であり得る。前記ベント樹脂の結晶化温度が前述した範囲を満たす場合、前記シーラント樹脂とベント樹脂の溶着特性がさらに向上できる。
【0117】
前記結晶化温度は、示差走査熱量計(DSC)を用いて測定し得る。例えば、試料の温度を30℃から10℃/分で280℃まで増加させた後、280℃で10分間維持し、10℃/分で30℃まで冷却した後、30℃で10分間維持し得る。その後、試料の温度を30℃から10℃/分で280℃まで増加させた後、温度を280℃で10分間維持して結晶化温度を測定し得る。
【0118】
本発明の一実施様態で、前記ベント部材15は、フィルム形状を有し得る。
【0119】
前記ベント部材15は、予め設定された大きさの所定の厚さを有するように形成され得る。また、設計に応じて、挿入長さが変更され得るように、またはベンティング圧力及び位置が制御され得るように電池ケース13に挿入され得る。
【0120】
本発明の一実施様態で、ベント部材15は、シーラント樹脂と前記シーラント樹脂よりも低い融点を有するベント樹脂とのシーリングと、より円滑な配置のために、接着層をさらに含み得る。
【0121】
本発明の一実施様態で、前記二次電池は、円筒型、角形またはパウチ型の二次電池であり得る。
【0122】
以上、本発明の望ましい実施例について図示及び説明したが、本発明は上述した特定の望ましい実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から外れることなく当該発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって多様に変形できることは言うまでもなく、かかる変形は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
【符号の説明】
【0123】
10 二次電池
11 電極リード
12 電極組立体
13 電池ケース
13a 収納部
13b シーリング部
14 リードフィルム
15 ベント部材
15a 第2部
15b 第1部
【国際調査報告】