KR102537683B1 - 복수개의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체 및 이를 이용한 이차전지 - Google Patents

복수개의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체 및 이를 이용한 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체 및 이를 이용한 이차전지에 관한 것으로, 금속층과, 상기 금속층의 하부에 형성된 실란트층 및 상기 금속층의 상부에 형성된 최외층을 포함하는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체에 있어서, 상기 금속층은, 동종(同種) 또는 이종(異種)의 금속 재료가 복수개로 적층되어 형성되며, 상기 적층된 금속층 사이에는 상기 금속층에 비해 상대적으로 연질의 재료의 기능층이 형성된 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체 및 이를 이용한 이차전지를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은, 두개 이상의 금속 재료들을 조합하여 2개 이상의 금속층으로 적층하고, 그 사이에는 기능층을 형성하여, 강도 개선, 열적 안정성 개선과 더불어 인장 신율을 개선하여 성형성을 향상시키는 것이다.

Description

복수개의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체 및 이를 이용한 이차전지{Laminated structure for a cell-type battery pouch having a plurality of metal layers and a pouch-type secondary battery using the same}
본 발명은 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체에 관한 것으로, 특성이 상이한 2개 이상의 금속층을 형성하고, 그 사이에 기능층을 형성하여, 강도 개선, 열적 안정성 개선과 더불어 인장 신율을 개선한 복수개의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체 및 이를 이용한 이차전지에 관한 것이다.
최근 들어, 환경오염 등의 문제로 인해 화석연료의 사용을 줄이기 위하여 노력하고 있으며, 특히 자동차의 경우에는 석유를 정제한 화석연료를 사용하지 않고, 친환경 에너지인 전기에너지를 이용하는 전기차가 개발되고 있으며, 이외에도 다양한 분야에서 전기를 이용한 제품들이 개발되고 있다.
이와 같이 전기를 이용한 제품들은 충방전이 가능한 이차전지를 구비하고 있으며, 특히 전기차 등에 적용되는 대용량의 이차전지는 외장재의 종류에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류할 수 있다.
이러한 이차전지 중에서 파우치형 전지는 전극 조립체(셀)가 금속 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 형태로서, 제조가 쉽고 제조원가가 낮으며 특히 복수의 단위 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 대용량의 전지 팩(배터리 팩)을 제조하기 쉽다는 장점이 있기 때문에, 주로 전기차와 같이 대용량의 이차전지가 필요한 분야에서 활용되고 있다.
특히, 리튬이차전지(Lithium ion Battery)는 높은 에너지 밀도와 우수한 출력을 갖는 등의 장점을 바탕으로 다양한 어플리케이션에 적용되고 있으며, 이러한 셀 타입의 리튬이차전지의 전극군과 전해액을 감싸는 외장재로서, 금속 박막과 고분자로 이루어지는 파우치는 층간의 접착력, 열융착 강도, 내전해액성, 기밀성, 수분 침투성, 성형성 등의 요구 특성을 만족하여야 한다.
특히, 최근에는 전기자동차 및 ESS(Energy Storage System)에 셀 타입의 전지 파우치가 적용되면서 그 수요가 증가하고 있다. 따라서 종래에 많이 사용되는 IT 등 모바일 기기에 비해 셀 파우치에 대한 안전성 등에 관한 이슈가 증가하고 있는 실정이다.
일반적으로 전기 자동차의 화재 원인은 외부 충격, 과충전, 제조불량 등이 있는데, 전기 자동차 사고시 충돌로 인해 배터리 셀의 음극과 양극을 분리하는 분리막이 찢어지면서 합선이 발생하고, 이로 인핸 열, 스파크로 화재가 일어나게 된다. 특히 이렇게 배터리 팩이 손상되면 내부 온도가 순식간에 800℃ 이상까지 치솟으며 불이 퍼지는 '열폭주' 현상이 일어나게 되어, 심각한 인명상, 재산상 손해를 발생시키게 된다.
종래의 알루미늄을 금속층으로 사용하는 파우치의 경우, 알루미늄의 녹는점이 600℃ 정도로, 이러한 열폭주 현상 발생시 안전성을 담보하지 못하게 되어, 돌이킬 수 없는 인명과 재산상의 손실을 초래하게 된다.
한국특허등록 10-2389407호(2019.02.27. 공개)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2개 이상의 금속층을 형성하고, 그 사이에 기능층을 형성하여, 강도 개선, 열적 안전성 개선과 더불어 인장 신율을 개선한 복수개의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체 및 이를 이용한 이차전지의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속층, 상기 금속층의 하부에 형성된 실란트층 및 상기 금속층의 상부에 형성된 최외층을 포함하는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체에 있어서, 상기 금속층은, 동종(同種) 또는 이종(異種)의 금속 재료가 복수개로 적층되어 형성되며, 상기 적층된 금속층 사이에는 상기 금속층에 비해 상대적으로 연질의 재료의 기능층이 형성된 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체 및 이를 이용한 이차전지를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 금속층이 이종의 금속 재료로 복수개로 적층되어 형성된 경우, 상기 금속 재료는, 서로 다른 인장 강도를 가지거나, 서로 다른 열전도율을 가지거나, 서로 다른 융점을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속층은, 알루미늄 재료를 포함하며, 상기 금속층은, SUS 재료 또는 구리 재료를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속층은, 상기 실란트층 측에 가까이 형성된 금속층의 금속 재료는, 상기 최외층 측에 가까이 형성된 금속층의 금속 재료에 비해 더 높은 강성을 가지거나, 더 높은 열전도율을 가지거나, 더 높은 융점을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기능층은, 강성이 서로 다른 금속층 사이에 형성되거나, 열전도율이 서로 다른 금속층 사이에 형성되거나, 융점이 서로 다른 금속층 사이에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 적층 구조체는, 상기 제1금속층과, 상기 제1금속층 상에 형성된 기능층 및 상기 기능층 상에 형성된 제2금속층을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 적층 구조체는, 상기 제1금속층과, 상기 제1금속층 상부 및 하부에 각각 형성된 기능층 및 상기 상부 기능층의 상부 및 하부 기능층의 하부에 각각 형성된 제2금속층을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1금속층이 상기 제2금속층에 비해 강성이 높은 금속 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1금속층은, 메쉬 구조로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수개의 금속층 중 적어도 하나의 금속층의 상부 또는/및 하부에는, 부식방지층이 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 기능층은, PET(Polyethylene Terephthalate), NY(Nylon), PET/NY, PP(Polypropylene), PEN(Polyethylene Naphthalate) 및 PBT(Polybutylene Terephthalate) 중 어느 하나 또는 이들을 둘 이상 적층 또는 코팅하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 두개 이상의 금속 재료들을 조합하여 2개 이상의 금속층으로 적층하고, 그 사이에는 기능층을 형성하여, 강도 개선, 열적 안정성 개선과 더불어 인장 신율을 개선하여 성형성을 향상시키는 것이다.
또한, 본 발명은 금속층과 기능층의 복합 재료로 형성되어, 금속의 특성과 수지의 특성이 상보적으로 작용하여 전지의 안전성과 전지의 성능 저하를 더욱 방지하게 된다.
즉, 금속의 강도와 높은 열융점, 높은 열전도도의 특성과 기능층의 유연성이 복합적으로 작용하여, 화재 발생시 열적 안정성을 확보함과 동시에 최적의 인장 신율 및 성형성을 확보할 수 있도록 하는 것이다.
이에 의해 본 발명은 전해액의 확산이나 누설, 가스 출입을 원천적으로 차단하면서, 화재와 같은 사고 발생시 이를 지연시키고 전이 속도를 늦출 수 있어 전지의 안전성과 성능 확보가 보장될 수 있도록 한다.
도 1 및 도 2 - 본 발명의 실시예에 따른 복수개의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체에 대한 모식도.
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 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명에 따른 층이 다른 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"에 형성되는 것은 다른 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층을 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있는 것으로, 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
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 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 구성의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
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. 또한 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복수개의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체에 대한 모식도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복수개의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체(이하에서는 편의상 '파우치용 적층 구조체'로 기재될 수도 있다.)는, 금속층, 상기 금속층의 하부에 형성된 실란트층 및 상기 금속층의 상부에 형성된 최외층을 포함하는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체에 있어서, 상기 금속층은, 동종(同種) 또는 이종(異種)의 금속 재료가 복수개로 적층되어 형성되며, 상기 적층된 금속층 사이에는 상기 금속층에 비해 상대적으로 연질의 재료의 기능층이 형성된 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 셀 타입 전지 파우치의 외장재로 사용되는 적층 구조체는 금속층과, 상기 금속층의 하부에 형성된 실란트층 및 상기 금속층의 상부에 형성된 최외층을 포함하고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 실란트층은 상기 금속층의 하부에, 즉 파우치에 있어서 내측에 형성되어 파우치의 가장 내부에 위치하게 되며, 내용물, 즉 셀과 접촉되는 부분으로, 본 발명의 일실시예로, 주로 전지의 내열성 및 내한성을 안정화하기 위해 폴리프로필렌계 수지로 형성될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 최외층은 상기 금속층의 상부에 형성되어, 즉 파우치에 있어서 외측에 형성되어, 상기 금속층을 보호하기 위한 것으로 내열성과 내핀홀성 및 내마모성 등을 고려하여, 주로 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지(Polyethylene terephthalate, PET) 및/또는 나일론(Nylon) 수지 등이 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 실란트층과 최외층 사이의 금속층이 적어도 2개 이상의 금속층을 포함하도록 하고, 상기 금속층 사이에는 기능층이 포함되는 복합구조를 구현하고자 하는 것이다.
상기 기능층은 상기 적층되는 금속층에 비해 상대적으로 연질의 재료로 형성되며, 본 발명의 일실시예에서는 고분자 수지층으로, 적층된 금속층 사이에 수지 필름이 라미네이트되거나, 수지 코팅액이 상기 금속층 사이의 계면 중 어느 하나에 코팅되어 형성되는 것으로, 본 발명에 따른 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체는 금속과 수지의 복합 재료로 이루어진 것이다.
상기 수지 코팅액의 코팅은 상기 금속층 상의 일측 표면은 다이렉트코팅(Direct coating) 및 RKC(Reverse Kiss Coating) 겸용 방식으로 수계 및 용제계 코팅액을 도포하는 제1차 코팅을 수행하고, 상기 금속층 상의 다른 일측표면은 RKC 및 필름업다운코팅(Film up/down coating) 방식으로 코팅액을 도포하는 제2차 코팅을 수행하여 구현될 수 있다.
이는 코팅액의 물성 및 변경까지 고려한 것으로, 기재접촉면과 'Coating Roll' 및 'Doctor'의 위치를 조정할 수 있도록 구성함으로써, 코팅의 균일도 및 작업 속도 향상을 가능하도록 할 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 파우치용 적층 구조체는 금속과 수지의 복합 재료로 형성되어, 금속의 특성과 수지의 특성이 상보적으로 작용하여 전지의 안전성과 전지의 성능 저하를 방지하게 된다.
즉, 금속의 강도와 높은 열융점, 높은 열전도도의 특성과 수지의 유연성이 복합적으로 작용하여, 화재 발생시 열적 안정성을 확보하면서, 최적의 인장 신율 및 성형성을 확보할 수 있도록 하는 것이다.
특히 금속층의 경우, 동종의 재료를 2개층 이상으로 형성하거나, 서로 다른 재료를 2개층 이상으로 형성하여 어느 정도의 강도를 보장하면서, 열적으로 안정성은 더욱 확보할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에 따른 금속층은 상술한 바와 같이 동종의 재료를 2개층 이상 적층하여 적용하거나, 서로 다른 재료를 2개층 이상 적층하여 적용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 금속층을 동종의 금속 재료로 사용하는 경우에는 금속 재료의 두께를 조절하여 강성이나 열전도율, 융점의 차이가 나게 할 수 있다. 즉, 더 얇거나 두꺼운 금속재료를 사용하여 강성 예컨대 인장 강도를 보강하거나, 인접하는 구성 간에 열전도를 늦추거나, 녹는 시간의 차이가 발생하게 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 금속층을 서로 다른 금속 재료로 사용하는 경우, 각 금속 재료는 서로 다른 강성을 가지거나, 서로 다른 열전도율을 가지거나, 서로 다른 융점을 가질 수 있다.
상기 금속층은 가공성 및 경량성을 고려하고, 기계적 강도가 보장되어야 하며 가스 출입을 차단하고, 수분배리어성을 가지며, 전해액의 확산이나 누설을 방지할 수 있는 금속 박판으로 형성된다. 이러한 점을 고려하여 본 발명의 일실시예에 따른 제1 금속 재료로, 알루미늄을 사용한다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 제2 금속 재료로, 상기의 특성을 고려하여 SUS 재료나 구리 재료를 사용할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 실시예로 상기 금속층의 재료로 알루미늄-SUS, 알루미늄-구리, 알루미늄-SUS-구리를 포함하며, 이러한 금속 재료를 갖는 금속층이 각 단일층 또는 복수층 포함될 수 있다.
상기 본 발명의 실시예로 제시한 알루미늄, SUS, 구리는 각각 서로 다른 강성을 가지거나, 서로 다른 열전도율을 가지거나, 서로 다른 융점을 가지며, 이러한 서로 다른 특성을 갖는 금속 재료를 선택하여 2개 이상의 복수개의 금속층을 구현하게 된다.
예컨대, 제1금속층으로 알루미늄층, 제2금속층으로 SUS층으로 구현하는 경우, 제1금속층에 비해 제2금속층의 인장 강도가 더 높고, 융점이 더 높으며, 제2금속층에 비해 제1금속층의 열전도도가 더 높은 특성을 가지므로, 이차전지용 파우치에 요구되는 물성인 내전해액성, 기밀성, 수분 침투성, 성형성 등의 요구 특성을 보완할 수 있게 되며, 이차전지 사용 중 외부 충격, 과충전, 제조불량 등의 문제로 화재가 발생하는 경우 화재의 전이를 지연하거나 막을 수 있게 된다.
다음 표 1은 본 발명의 일실시예로 사용되는 금속 재료의 물성에 대해 나타낸 것이다.
알루미늄 SUS 구리
인장 강도(MPa) 310~400 520 34~36
열전도도(W/(K·m)) 237 16.3 401
융점(℃) 660 1400~1500 1,083
상기의 물성 차이를 이용한 복수개의 금속층을 본 발명에 따른 적층 구조체에 사용함으로써, 강성, 열전도도, 융점 등의 차이에 따른 특성을 보강하여 전지의 안전성을 보장하고, 성능 저하를 방지하게 된다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 금속층은 상기 실란트층 측에 가까이 형성된 금속층의 금속 재료는, 상기 최외층 측에 가까이 형성된 금속층의 금속 재료에 비해 더 높은 강성을 가지거나, 더 높은 열전도율을 가지거나, 더 높은 융점을 가질 수 있다.
즉, 전지의 적용 환경을 안정적으로 구동하기 위한 특성을 더 많이 요구하게 되는 금속층을 실란트층에 더 가까이 형성할 수 있다. 이에 의해 전해액의 확산이나 누설, 가스 출입을 원천적으로 차단하면서, 화재와 같은 사고 발생시 이를 지연시키고 전이 속도를 늦출 수 있어 전지의 안전성과 성능 확보가 보장될 수 있도록 한다.
한편 상기 기능층은 상기 복수개의 금속층 사이에 형성되는 것으로, 적층되는 금속층에 비해 상대적으로 연질의 재료로 형성되며, 본 발명의 일실시예에서는 고분자 수지층으로 형성된다. 즉, 적층된 금속층 사이에 수지 필름이 라미네이트되거나, 수지 코팅액이 상기 금속층 사이의 계면 중 어느 하나에 코팅되어 형성되는 것으로, 본 발명에 따른 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체는 금속과 수지의 복합 재료로 이루어진 것이다.
본 발명에 따른 기능층은 강성이 서로 다른 금속층 사이에 형성되거나, 열전도율이 서로 다른 금속층 사이에 형성되거나, 융점이 서로 다른 금속층 사이에 형성될 수 있다. 또는 강성은 비슷하나 열전도율이 서로 다르거나, 강성은 비슷하나 융점이 서로 다르는 등, 다양한 조합으로 형성되어 사용 환경에 상관없이 안정적인 구동 환경을 조성할 수 있게 된다.
상기 기능층은 상술한 바와 같이 상기 적층된 금속층에 비해 연질의 재료로 형성되어 적층 구조체의 성형성을 확보할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 상기 기능층은, PET(Polyethylene Terephthalate), NY(Nylon), PET/NY, PP(Polypropylene), PEN(Polyethylene Naphthalate) 및 PBT(Polybutylene Terephthalate) 중 어느 하나 또는 이들을 둘 이상 적층 또는 코팅하여 형성될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 파우치용 적층 구조체는 금속과 수지의 복합 재료로 형성되어, 금속의 특성과 수지의 특성이 상보적으로 작용하여 전지의 안전성과 전지의 성능 저하를 방지하게 된다.
즉, 금속의 강도와 높은 열융점, 높은 열전도도의 특성과 수지의 유연성이 복합적으로 작용하여, 화재 발생시 열적 안정성을 확보하면서, 최적의 인장 신율 및 성형성을 확보할 수 있도록 하는 것이다.
이러한 적층 구조체의 일실시예로, 제1금속층과, 상기 제1금속층 상에 형성된 기능층 및 상기 기능층 상에 형성된 제2금속층을 포함한다
도 1은 이를 더욱 구체적으로 도시한 것으로, 최외층/접착층/제2금속층/접착층/기능층/접착층/부식방지층/제1금속층/부식방지층/실란트층을 포함한다. 여기에서 상기 제1금속층이 제2금속층에 비해 강성 예컨대 인장 강도가 더 높거나, 융점이 더 높은 금속 재료로 형성될 수 있다.
즉, 제1금속층이 SUS층, 제2금속층이 알루미늄층으로 형성되는 경우 실란트층에 가까운 금속층이 인장 강도는 높고, 융점이 높아 전지의 이상 발생이나 화재 시에 화재를 지연시키고, 전이를 늦출 수 있어 인명 사고나 재산상의 손해를 줄일 수 있게 된다.
또한 만약 제1금속층이 열전도도가 높은 금속이라면 열을 효과적으로 방출할 수 있어, 전지의 과열을 방지할 수 있게 된다. 예컨대, 제1금속층으로 구리층, 제2금속층으로 알루미늄층을 사용할 수도 있다. 필요에 따라 제2금속층을 구리층으로 형성할 수도 있다.
상기 접착층 및 부식방지층은 공지의 파우치형 외장재에 적용되는 재료를 사용하여, 코팅 또는 적층, 화성 처리 등을 수행하는 것이다.
상기 접착층은 필요에 따라 생략할 수도 있으며, 상기 부식방지층은, 상기 복수개의 금속층 중 적어도 하나의 금속층의 상부 또는/및 하부에 형성될 수 있으며, 이는 전해액이나 산에 의한 금속층의 부식을 방지하기 위한 것으로, 상기 금속층의 표면을 내산성 처리하거나, 상기 금속층 상부에 부식방지 수지를 코팅하여 부식방지코팅층을 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예로, 제1금속층과, 상기 제1금속층 상부 및 하부에 각각 형성된 기능층 및 상기 상부 기능층의 상부 및 하부 기능층의 하부에 각각 형성된 제2금속층을 포함한다.
도 2는 이를 더욱 구체적으로 도시한 것으로, 상기 도 1의 실시예에서 상기 제1금속층/부식방지층 하부(실란트층 측)로 접착층/기능층/접착층/제2금속층의 구조가 반복되어 형성될 수도 있다. 즉, 최외층/접착층/제2금속층/접착층/기능층/접착층/부식방지층/제1금속층/부식방지층/접착층/기능층/접착층/제2금속층/실란트층으로 이루어질 수 있다.
이에 의해 제2금속층//기능층//제1금속층//기능층//제2금속층의 구조를 구현하여, 강성이 높은 제1금속층이 중심에 형성되고, 상하로 기능층 그리고 제2금속층의 구조로 형성한 것이다. 반대로 제2금속층을 중심에 두고 상하로 기능층 그리고 제1금속층의 구조로 형성할 수도 있다. 이는 전지의 적용 환경이나 설치 환경에 따라 물성이 다른 금속층의 배치를 다양하게 구현하여, 다양한 복합 구조로 실시할 수 있음은 자명한 사실이다.
한편 강성이 높은 금속 재료인 제1금속층을 메쉬 구조로 형성하여, 강성은 보장하면서 인장 신율을 보강하여 성형성이 보다 개선되도록 한 것이다. 상기 메쉬 구조에 있어서, 메쉬 사이로는 상기 제1금속층 상하부에 형성된 부식방지층과 기능층이 상하로 연결되어 상호 결착되어 제1금속층과 기능층, 그리고 제2금속층 간의 접합력을 개선시킬 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 특성이 상이한 두개 이상의 금속 재료들을 조합하여 적층하고, 그 사이에는 기능층을 형성하여, 강도 개선, 열적 안정성 개선과 더불어 인장 신율을 개선하여 성형성을 향상시키게 된다.
본 발명에 따른 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체는 리튬이온전지 셀을 내부에 포함할 수 있도록 파우치 형태로 성형되어 최종 파우치형 리튬이온전지를 제공하게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 실험 결과 테이타를 나타내고자 한다. 다음 비교예 및 실시예에서 접착층과 부식방지층의 기재는 생략하고자 한다.
1) 비교예 1(단일 금속층 형성) - PET12//NY15//AL40//PP80
=> PET필름(두께 12㎛)//나일론(Nylon) 필름(두께 15㎛)(최외층)//알루미늄층(두께 40㎛)//폴리프로필렌 필름(실란트층)(두께 80㎛)
2) 비교예 2(기능층 없음, 복수개의 이종의 금속층 형성) - PET12//NY15//AL40//SUS40//PP80
=> PET필름(두께 12㎛)//나일론(Nylon) 필름(두께 15㎛)(최외층)//알루미늄층(두께 40㎛)//SUS층(두께 40㎛)//폴리프로필렌 필름(실란트층)(두께 80㎛)
3) 실시예 1(기능층 있음, 복수개의 이종의 금속층 형성) - PET12//NY15//AL40//NY25//SUS40//PP80
=> PET필름(두께 12㎛)//나일론(Nylon) 필름(두께 15㎛)(최외층)//알루미늄층(두께 40㎛)//나일론(Nylon) 필름(두께 25㎛)//SUS층(두께 40㎛)//폴리프로필렌 필름(실란트층)(두께 80㎛)
4) 실시예 2(기능층 있음, 복수개의 이종의 금속층 형성) - PET12//NY15// SUS40//NY25//AL40//PP80
=> PET필름(두께 12㎛)//나일론(Nylon) 필름(두께 15㎛)(최외층)//SUS층(두께 40㎛)//나일론(Nylon) 필름(두께 25㎛)//알루미늄층(두께 40㎛)//폴리프로필렌 필름(실란트층)(두께 80㎛)
5) 실시예 3(기능층 있음, 복수개의 동종의 금속층 형성) - PET12//NY15//AL40//NY25//AL40//PP80
=> PET필름(두께 12㎛)//나일론(Nylon) 필름(두께 15㎛)(최외층)//알루미늄층(두께 40㎛)//나일론(Nylon) 필름(두께 25㎛)//알루미늄층(두께 40㎛)//폴리프로필렌 필름(실란트층)(두께 80㎛)
< 화재 발생시 열적 안정성>
공업용 가스 토치를 사용하여 비교예1 및 실시예1, 2를 가열하였을 때 적층 구조체가 완전히 녹는지 여부를 육안으로 확인
< 성형성 및 신율 >
1) 성형성 : - 23±2℃, 50±10% 조건에서 성형기와 시험용 금형을 이용하여 깊이별로 성형 후 금속층에 Crack이 발생하지 않는 한계 깊이 측정을 통한 성형성 평가. 시험용 금형 규격은 30mm x 75mm이고, 파우치 크기는 150mm x 200mm로 재단하여 실시함.
2) 신율 : 시료를 15mm×150mm의 크기로 재단한 후 인장 강도 Tester를 이용하여 23±2℃, 50±10%의 조건에서 파우치의 신율을 측정. 인장 강도 Tester의 Full scale을 시료의 예상 강도보다 50% 높게 설정한 상태로 측정.(SHIMADZU 사의 AGS-1kNX 모델을 사용)
< 인장 강도>
시료를 15mm×150mm의 크기로 재단한 후 인장 강도 Tester를 이용하여 23±2℃, 50±10%의 조건에서 파우치의 인장 강도를 측정. 인장 강도 Tester의 Full scale을 시료의 예상 강도보다 50% 높게 설정한 상태로 측정.(SHIMADZU 사의 AGS-1kNX 모델을 사용)
다음 표 2는 비교예1 및 실시예1, 2에 대한 열적 안정성을 측정한 데이타이다.
비교예 1 실시예 1 실시예2
PET12//NY15//AL40//PP80 PET12//NY15//AL40//NY25//SUS40//PP80 PET12//NY15// SUS40//NY25//AL40//PP80
화재 발생시 열적 안정성 녹음 (Al 녹는점 660℃) 안녹음 (SUS 녹는점 1400℃) 안녹음 (SUS 녹는점 1400℃)
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 이종의 금속층과 그 사이의 기능층을 포함하는 적층 구조체는, 단일 금속층을 갖는 비교에 1에 비교하여, 화재 발생시 테스트에도 녹지 않았다. 이는 금속층으로 융점이 높은 SUS층을 적용하였기 때문이다.
다음 표 3은 비교예 1 및 실시예 1에 대한 성형성 및 신율을 측정한 데이타이다.
비교예 1 실시예 1
PET12//NY15//AL40//SUS40//PP80 PET12//NY15//AL40//NY25//SUS40//PP80
성형성 8mm 12mm
신율 25% 40%
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 기능층이 있는 적층 구조체는 기능층이 없이 이종의 금속층만으로 형성된 적층 구조체에 비해, 성형성 및 신율이 개선되었음을 확인할 수 있었다.
다음 표 4는 실시예 3과 실시예 1에 대한 인장 강도를 측정한 데이타이다.
　 실시예 3 실시예 1
PET12//NY15//AL40//NY25//AL40//PP80 PET12//NY15//AL40//NY25//SUS40//PP80
인장 강도 300N/15mm 700N/15mm
2개의 동종의 금속층 사이에 기능층을 형성한 적층 구조체는, 2개의 이종의 금속층 사이에 기능층을 형성한 적층 구조체에 비해 인장 강도가 개선되었음을 확인할 수 있었다.

Claims (13)

  1. 금속층, 상기 금속층의 하부에 형성된 실란트층 및 상기 금속층의 상부에 형성된 최외층을 포함하는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체에 있어서,
    상기 금속층은,
    동종(同種) 또는 이종(異種)의 금속 재료가 복수개로 적층되어 형성되며,
    상기 적층된 금속층 사이에는 상기 금속층에 비해 상대적으로 연질의 재료의 기능층이 형성된 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속층이 이종의 금속 재료로 복수개로 적층되어 형성된 경우,
    상기 금속 재료는,
    서로 다른 인장 강도를 가지거나, 서로 다른 열전도율을 가지거나, 서로 다른 융점을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 금속층은,
    알루미늄 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 금속층은,
    SUS 재료 또는 구리 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 금속층은,
    상기 실란트층 측에 가까이 형성된 금속층의 금속 재료는,
    상기 최외층 측에 가까이 형성된 금속층의 금속 재료에 비해 더 높은 강성을 가지거나, 더 높은 열전도율을 가지거나, 더 높은 융점을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 기능층은,
    강성이 서로 다른 금속층 사이에 형성되거나,
    열전도율이 서로 다른 금속층 사이에 형성되거나,
    융점이 서로 다른 금속층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 적층 구조체는,
    제1금속층;
    상기 제1금속층 상에 형성된 기능층; 및
    상기 기능층 상에 형성된 제2금속층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 적층 구조체는,
    제1금속층;
    상기 제1금속층 상부 및 하부에 각각 형성된 기능층; 및
    상기 제1금속층 상부에 형성된 기능층의 상부 및 상기 제1금속층 하부에 형성된 기능층의 하부에 각각 형성된 제2금속층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 제1금속층이 상기 제2금속층에 비해 강성이 높은 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 제1금속층은,
    메쉬 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 복수개의 금속층 중 적어도 하나의 금속층의 상부에는 부식방지층이 형성되거나,
    상기 복수개의 금속층 중 적어도 하나의 금속층의 하부에는 부식방지층이 형성되거나,
    상기 복수개의 금속층 중 적어도 하나의 금속층의 상부 및 하부에는 부식방지층이 형성된 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 기능층은,
    PET(Polyethylene Terephthalate), NY(Nylon), PET/NY, PP(Polypropylene), PEN(Polyethylene Naphthalate) 및 PBT(Polybutylene Terephthalate) 중 어느 하나 또는 이들을 둘 이상 적층 또는 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체.
  13. 제 1항의 복합 구조의 금속층을 갖는 셀 타입 전지 파우치용 적층 구조체를 이용한 파우치용 이차전지.
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