JP7601496B2

JP7601496B2 - 電極リードとリードフィルムとの間に安全素子を備えたパウチ型電池セル

Info

Publication number: JP7601496B2
Application number: JP2023515825A
Authority: JP
Inventors: ギョン・ス・カン; ジェ・ホ・イ
Original assignee: LG Energy Solution Ltd
Current assignee: LG Energy Solution Ltd
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2024-12-17
Anticipated expiration: 2042-08-26
Also published as: CA3199460A1; KR20230038952A; PL4210162T3; ES3060499T3; US20230411810A1; KR102723746B1; EP4210162B1; EP4210162A1; CN116325310A; CN116325310B; WO2023038338A1; EP4210162A4; JP2023544494A

Description

本出願は２０２１年９月１３日付けの韓国特許出願第２０２１－０１２１６７７号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容はこの明細書の一部として含まれる。

本発明は電極リードとリードフィルムとの間に安全素子を備えることで、電池セルの異常による火災や爆発の危険を防止することができるパウチ型電池セルに関するものである。

スマートフォン、ノートブック型ＰＣ、デジタルカメラなどのモバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するのに伴い、充放電の可能な二次電池に関する技術が活発に研究されている。また、二次電池は大気汚染物質を発生させる化石燃料の代替エネルギー源であり、電気自動車（ＥＶ）、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（Ｐ－ＨＥＶ）、及びエネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＳ）などに適用されている。

現在広く使われる二次電池の種類には、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。このような単位二次電池セル、すなわち、単位電池セルの作動電圧は約２．０Ｖ～５．０Ｖである。よって、これより高い出力電圧が要求される場合、複数の電池セルを直列に連結してセルモジュールアセンブリーを構成するか、またはセルモジュールアセンブリーを所要出力電圧または充放電容量に応じて直列または並列に連結して電池モジュールを構成することもできる。このように、少なくとも一つの電池モジュールを用いて追加的な構成要素を付け加えて電池パックを製作することが一般的である。

このような電池セルは、ケースの形態によって大別して、角型、円筒型及びパウチ型に区分することができる。

このうち、パウチ型電池セルは、通常、内部層／金属層／外部層のラミネートシート構造を有するパウチケースから製造される。

図１は従来のパウチ型電池セルを概略的に示す図である。従来のパウチ型電池セルは、電極組立体１０をパウチケース２０の内部に電解液とともに収容し、外郭部を熱融着などの方法で密封してシーリング部２１を形成することで製造される。

また、電極組立体１０に連結された電極リード１１の一部はパウチケース２０の外部に突出してバスバーなどと電気的に連結される。電極リード１１とパウチケース２０との間には、両者間の電気的絶縁及び接着性改善などの目的でリードフィルム３０を介在させることが一般的である。

このようなパウチ型電池セルは、形態及びサイズを所望の通りにすることができ、容積率を高めることができるなどの利点があるが、火災や爆発などに相対的に脆弱な欠点がある。

したがって、パウチ型電池セルの製造の際には、安全性を改善させるための多様な方法を適用する。

そのうち、多く適用される方法としては、過電流による過熱のような異常の発生の際、ヒューズなどの素子を用いて当該電池セルの電流の流れを遮断することである。

しかし、このような方法は、電池セルのそれぞれに過電流を遮断する素子を備えることによって製造コストが上昇したり、電池セルの容積率が減少したりするなどの問題があり、また過電流を感知して遮断しても、既に当該電池セルは過電流による高いエネルギー状態になっているため更なる火災や爆発の危険を有する問題がある。

本発明は前記のような問題点を解決するために、電極リードとリードフィルムとの間に安全素子を備えることで、電池セルの異常による火災や爆発の危険を防止することができるパウチ型電池セルを提供することを目的とする。

前記のような目的を達成するための本発明によるパウチ型電池セルは、電極リードが接合された電極組立体と、前記電極組立体を収容し、外部に対して密封するためのシーリング部が形成されたパウチケースと、前記電極リードと前記パウチケースの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を含むパウチ型電池セルであって、前記電極リードと前記リードフィルムとの間には、前記電池セルが一定温度以上に過熱されるとき、前記電池セルの内部のエネルギーを吸収して前記電池セルを放電させる安全素子を含むことを特徴とする。

また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記リードフィルムの一部は前記シーリング部から外部に露出しており、前記リードフィルムは前記電極リードの両面に設けられていることを特徴とする。

また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記安全素子は、半導体材料から形成された薄板状の素子であることを特徴とする。

また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記安全素子の厚さは前記リードフィルムの厚さより薄いことを特徴とする。

また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記安全素子は、前記電極リードの両面にそれぞれ設けられていることを特徴とする。

また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記安全素子の一部は、前記リードフィルムから外部に露出していることを特徴とする。

また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記安全素子は、前記リードフィルム内に位置していることを特徴とする。

また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記リードフィルムの一部は、前記シーリング部から外部に露出しており、前記リードフィルムは、前記安全素子をカバーする第１リードフィルムと、前記第１リードフィルムと連結され、前記シーリング部内に位置する第２リードフィルムとを含むことを特徴とする。

また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記第１リードフィルムは、前記第２リードフィルムより低い融点を有する材料から形成されることを特徴とする。

また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記第１リードフィルムはポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＥ）から形成されたフィルムであり、前記第２リードフィルムはポリプロピレン（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）から形成されたフィルムであることを特徴とする。

また、本発明による電池モジュールは本発明のパウチ型電池セルを含むことを特徴とする。

また、本発明によるデバイスは本発明の電池モジュールを含むことを特徴とする。

本発明のパウチ型電池セルは、電極リードとリードフィルムとの間に安全素子を備えることで、電池セルの異常の際、内部の電流を放電させて電池セルの火災や爆発を防止することができる利点がある。

また、本発明のパウチ型電池セルは、安全素子を備えることで、複雑な工程や設計の変更なしに電池セルの安全性を向上させることができるという利点がある。

従来のパウチ型電池セルを概略的に示す図である。本発明の一実施例による安全素子を含むパウチ型電池セルを概略的に示す図である。本発明の一実施例による安全素子を含むパウチ型電池セルにおいて安全素子が位置する部分を拡大した図である。本発明の他の実施例による安全素子を含むパウチ型電池セルにおいて安全素子が位置する部分を拡大した図である。本発明のさらに他の実施例による第１リードフィルム及び第２リードフィルムを備えたパウチ型電池セルにおいて安全素子が位置する部分を拡大した図である。

本出願で、「含む」、「有する」または「備える」などの用語は、明細書中に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組合せが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組合せなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。

また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使用する。明細書全般にわたって、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

以下、本発明によるパウチ型電池セルについて添付図面を参照して説明する。

図２は本発明の一実施例による安全素子を含むパウチ型電池セルを概略的に示す図である。

図２を参照して本発明のパウチ型電池セル１００を説明すると、パウチ型電池セル１００は、電極組立体１１０、パウチケース１２０、リードフィルム１３０、及び安全素子１４０を含む。

まず、電極組立体１１０は、長いシート状の正極及び負極の間に分離膜が介在されて巻き取られた構造を有するゼリーロール型組立体、長方形の正極及び負極が分離膜を間に介在した状態で積層された構造を有するスタック型組立体、単位セルが長い分離フィルムによって巻き取られたスタックフォルディング型組立体、または電池セルが分離膜を間に介在した状態で積層されて互いに付着されたラミネーションスタック型組立体などからなることができるが、これらに限定されない。

このような電極組立体１１０には正極及び負極のそれぞれの電極タブが形成されており、前記正極及び負極の電極タブにはそれぞれ正極及び負極の電極リード１１１が接合されることが一般的である。

正極及び負極の電極リード１１１は、図２に示すように、互いに反対の方向に突出するように形成することもできるが、これに制限されず、正極及び負極の電極リード１１１が同じ方向に突出するなどの多様な形態が可能である。

パウチケース１２０は内部に前記のような電極組立体１１０及び電解液を収容し、密封のために、電極組立体１１０を収容した外郭部を熱融着などの方法で密封したシーリング部１２１を備えている。

このようなパウチケース１２０は、通常、内部層／金属層／外部層のラミネートシート構造を有する。内部層は電極組立体１１０と直接的に接触するので、絶縁性及び耐電解液性を有していなければならず、また外部に対する密閉のために、シーリング性、すなわち内部層同士が熱接着されたシーリング部位は優れた熱接着強度を有していなければならない。

このような内部層の材料としては、耐化学性に優れながらもシーリング性に優れたポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンアクリル酸、ポリブチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂、及びポリイミド樹脂から選択されることができる。

内部層と接している金属層は外部から水分や各種のガスが電池の内部に浸透することを防止するバリア層に相当し、このような金属層の好ましい材料としては、軽いながらも成形性に優れたアルミニウム薄膜を使うことができる。

そして、金属層の他側面には外部層が設けられる。このような外部層は、電極組立体１１０を保護しながら耐熱性及び耐化学性を確保することができるように、引張強度、透湿防止性及び空気透過防止性に優れた耐熱性ポリマーを使うことができ、一例としてナイロンまたはポリエチレンテレフタレートルを使うことができるが、これに限定されない。

一方、リードフィルム１３０は電極リード１１１とパウチケース１２０のシーリング部１２１との間に位置することで、電極リード１１１とパウチケース１２０の金属層との間に短絡が発生することを防止し、密封力を向上させて電解液の漏出などを防止する役割を果たす。

このようなリードフィルム１３０は、絶縁性及び熱融着性を有するポリイミド（ＰＩ：ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ポリプロピレン（ＰＰ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｈｙｌｅｎｅ）、ポリエチレン（ＰＥ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、及びエポキシ樹脂などから選択されるいずれか１種以上の物質を含むことができる。

また、リードフィルム１３０は、一般的に、電極リード１１１の両面に一対のフィルムを配置した後、電極リード１１１と接しない部分を熱融着などの方法で接合することで、電極リード１１１を取り囲むように構成されることができる。パウチケース１２０を密封した後、一部がパウチケース１２０の外部に突出するように形成することが短絡の防止などの観点で好ましい。

一方、本発明のパウチ型電池セル１００は、電極リード１１１とリードフィルム１３０との間に、パウチ型電池セル１００が過電流などによって一定の温度以上に過熱されるとき、内部のエネルギー、すなわち電流を吸収してパウチ型電池セル１００を放電させる役割を果たす安全素子１４０をさらに含む。

このような安全素子１４０は、常温では低い電気伝導度を有し、温度が上昇するほど電気伝導度が高くなる半導体材料から形成された薄い板状を有することが好ましい。

このような半導体材料から形成された安全素子１４０は、パウチ型電池セル１００が正常に動作している時には、低い電気伝導度に起因して電極リード１１１に比べて相対的に電流がほとんど流れない。

しかし、パウチ型電池セル１００が過電流などによって過熱される場合には、安全素子１４０の温度も上昇し、それにより安全素子１４０に流れる電流の量が急激に増加することになる。

その結果、パウチ型電池セル１００の内部の電流を強制的に放電させることで、追加的な火災や爆発などの危険を防止することができる。

追加として、安全素子１４０に過量の電流が流れると、内部抵抗による発熱によって安全素子１４０の温度が上昇し、このような温度上昇は電極リード１１１とパウチケース１２０との間を絶縁させる役割を果たすリードフィルム１３０及びパウチケース１２０の内部層を劣化させ得る。

すなわち、電極リード１１１とパウチケース１２０の金属層との間に短絡が発生してパウチ型電池セル１００の放電を促進させることができる。

図３は本発明の一実施例による安全素子を含むパウチ型電池セルにおいて安全素子が位置する部分を拡大した図であり、図４は本発明の他の実施例による安全素子を含むパウチ型電池セルにおいて安全素子が位置する部分を拡大した図である。

図３及び図４を参照して電極リード１１１及び安全素子１４０が設けられる位置を検討すると、安全素子１４０は、図３に示すように、リードフィルム１３０の外部に一部が突出することもでき、図４に示すように、リードフィルム１３０の内部に完全に挿入された形態を有することもできる。

安全素子１４０とリードフィルム１３０とが接触する面積によって、安全素子１４０の発熱によりリードフィルム１３０が劣化する程度に差を生じさせることができるので、接触面積を適切に調節することで、リードフィルム１３０が劣化する程度をある程度調節することも可能である。

もちろん、リードフィルム１３０の材料によっても劣化する程度に差を生じさせることができる。

このような安全素子１４０は、パウチ型電池セル１００のシーリング部１２１及び／またはリードフィルム１３０に一部または全部が重なるように位置するので、できるだけ小さい厚さを有することが好ましい。

具体的には、安全素子１４０を覆っているリードフィルム１３０と同じかそれより小さい厚さを有することが好ましい。

また、図２～図４では安全素子１４０が電極リード１１１の一面に位置する場合を示しているが、本発明のパウチ型電池セル１００は、安全素子１４０を電極リード１１１の両面に複数備えることも可能である。

一方、本発明の図２～図４ではリードフィルム１３０がリードフィルム１３０全体にわたって均一な材料から形成された場合を例として説明しているが、本発明のリードフィルム１３０は区域によって異なる材料から形成されることができる。

図５は本発明のさらに他の実施例による第１リードフィルム及び第２リードフィルムを備えたパウチ型電池セルにおいて安全素子が位置する部分を拡大した図である。

図５を参照して本発明のリードフィルム１３０の他の例を検討すると、二つの区域を有するリードフィルム１３０は、シーリング部１２１の外部に一部が露出され、安全素子１４０をカバーする第１リードフィルム１３１、及び第１リードフィルムと連結され、シーリング部１２１内に位置する第２リードフィルム１３２を含む。

ここで、第１リードフィルム１３１は第２リードフィルム１３２より低い融点を有する材料から形成される。

例えば、第１リードフィルム１３１はポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＥ）から形成され、第２リードフィルム１３２はポリプロピレン（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）から形成されることができる。

このように、二つの領域を有するリードフィルム１３０を適用する場合、安全素子１４０の発熱によって第１リードフィルム１３１がより低温で劣化し、その結果、電極リード１１１とパウチケース１２０の金属層との短絡をより早く発生させることで、パウチ型電池セル１００の内部の放電をさらに促進させることができるようになる。

以上で説明した本発明のパウチ型電池セル１００の製造方法について手短に説明すると、まず電極組立体１１０を形成する段階、及び形成された電極組立体１１０の電極タブに電極リード１１１を接合する段階を含む。

ここで、電極タブと電極リード１１１とを接合する方法は、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接などの公知の多様な溶接法を使用することができる。

次いで、電極リード１１１上に安全素子１４０を位置させた後、リードフィルム１３０を介在させ、電極リード１１１の一部が露出されるように電極組立体１１０をパウチケース１２０に収容させ、電解液を注入した後、密封のためにシーリング部１２１を形成する過程を経ることで、パウチ型電池セル１００が形成される。

すなわち、安全素子１４０を備える点を除き、既存のパウチ型電池セルの製造方法と同様な工程で実施することができるので、追加的な生産コストが大きく発生せず、安全性を向上させたパウチ型電池セル１００を製造することができるという利点がある。

また、本発明の安全素子１４０を含むパウチ型電池セル１００を含ませて電池モジュールや電池パックを製作することができ、このように製作された電池モジュールや電池パックは、各種の電子機器、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、及びプラグインハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）などの各種のデバイスの電力供給源として用いることができる。

以上で本発明の内容の特定部分を詳細に記述したが、当該分野で通常の知識を有する者にとって、このような具体的技術は単に好適な実施様態にすぎず、これによって本発明の範囲が限定されるものではなく、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であるというのは当業者に明らかなものであり、このような変更及び修正も添付の特許請求の範囲に属するものであるというのは言うまでもない。

１００パウチ型電池セル
１１０電極組立体
１１１電極リード
１２０パウチケース
１２１シーリング部
１３０リードフィルム
１３１第１リードフィルム
１３２第２リードフィルム
１４０安全素子

Claims

電極リードが接合された電極組立体と、
前記電極組立体を収容し、外部に対して密封するためのシーリング部が形成されたパウチケースと、
前記電極リードと前記パウチケースの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、を含むパウチ型電池セルであって、
前記電極リードと前記リードフィルムとの間には、前記パウチ型電池セルが一定温度以上に過熱されるとき、前記パウチ型電池セルの内部のエネルギーを吸収して前記パウチ型電池セルを放電させる安全素子を含み、
前記安全素子は、常温では低い電気伝導度を有し、温度が上昇するほど電気伝導度が高くなる半導体材料から形成された薄板状の素子である、パウチ型電池セル。
前記リードフィルムの一部は、前記シーリング部から外部に露出しており、前記リードフィルムは、前記電極リードの両面に設けられている、請求項１に記載のパウチ型電池セル。
前記安全素子の厚さは前記リードフィルムの厚さより薄い、請求項１に記載のパウチ型電池セル。
前記安全素子は、前記電極リードの両面にそれぞれ設けられている、請求項１に記載のパウチ型電池セル。
前記安全素子の一部は、前記リードフィルムから外部に露出している、請求項１に記載のパウチ型電池セル。
前記安全素子は、前記リードフィルム内に位置している、請求項１に記載のパウチ型電池セル。
前記安全素子は、温度が上昇すると前記リードフィルム及び前記パウチケースの内部層を劣化させ、前記電極リードと前記パウチケースの金属層との間に短絡を発生させるように構成されている、請求項１に記載のパウチ型電池セル。
前記リードフィルムの一部は、前記シーリング部から外部に露出しており、前記リードフィルムは、前記安全素子をカバーする第１リードフィルムと、前記第１リードフィルムと連結され、前記シーリング部内に位置する第２リードフィルムと、を含む、請求項１に記載のパウチ型電池セル。
前記第１リードフィルムは、前記第２リードフィルムより低い融点を有する材料から形成されている、請求項８に記載のパウチ型電池セル。
前記第１リードフィルムはポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＥ）から形成されたフィルムであり、前記第２リードフィルムはポリプロピレン（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）から形成されたフィルムである、請求項９に記載のパウチ型電池セル。
請求項１～１０のいずれか一項に記載のパウチ型電池セルを含む、電池モジュール。
請求項１１に記載の電池モジュールを含む、デバイス。