The moisture penetration mechanism into the pouch type lithium ion battery (LiB) is systematically investigated. In order to clarify the path for moisture penetration into pouch type LiB, we prepared dummy cells assembled with lead-tap and dummy cells assembled without lead-tap, in which there are only electrolyte. The change of amount of moisture inside the samples was tracked during 8 weeks by storing them under high humidity condition (RH 90%). As a result, a large amount of moisture is detected in the dummy cells assembled with lead-tap. To understand such phenomena, the microstructure of interface between lead-tab and lead film was observed by SEM. We found that a large amount of microvoids was existing on the interface between lead-tap and lead film. This result implies that such microvoid might act as the path of moisture penetration for the pouch type LiB.

본 논문에서는 파우치-타입 리튬이차전지의 수분 침투 경로를 파악하기 위해 금속 lead-tap이 부착되어 있는 파우치 타입 리튬이차전지 dummy 셀(셀 외부는 실제 파우치 타입 리튬이차전지와 동일하게 생겼으나 셀 내부에는 전해액만 존재하고 전극 및 분리막은 없는 셀을 말함)과 금속 lead-tap을 부착하지 않은 dummy 셀을 제작하여 고온/고습 환경에 보관하면서 시간의 경과에 따른 수분 함량 변화를 측정하여 금속 lead-tap 존재 여부가 파우치 타입 리튬이차전지의 수분 침투성에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과 파우치-타입 리튬이차전지의 수분 침투 경로는 2가지로, 하나는 금속 lead-tap과 lead 필름 계면에 형성된 미세 기공 또는 결함이며 다른 하나는 CPP(cast polypropylene) 접착층임을 확인하였다.

Keywords: lithium-ion battery, Al pouch, moisture penetration, microvoids, sealing temperature

리튬이차전지는 인류의 생활과 밀접한 모바일 IT의 전력원으로 가장 널리 사용되고 있을 뿐만 아니라 최근에는 전기자동차의 동력원 및 신재생 에너지의 전력저장 장치로서 활용도를 계속적으로 넓히고 있다.1-3 우리나라에서도 정부와 기업의 주도로 리튬이차전지 기술 개발 및 산업을 적극적으로 육성하여 현재는 세계적인 기술 및 생산수준을 가지고 있다. 현재 생산되고 있는 리튬이차전지 종류를 외장재 및 형태로 분류해 보면 크게 세가지로 1) 원통형 리튬이차전지, 2) 각형 리튬이차전지 및 3) 파우치-타입 리튬이차전지로 나눌 수 있다. 이 중 파우치-타입 리튬이차전지는 공간을 가장 효율적으로 사용할 수 있으며 금속 캔을 사용하지 않기 때문에 중량당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 열 방출이 용이하여 대면적의 리튬이온폴리머전지 제조에 적합하다고 알려져 있어 그 활용 범위가 계속적으로 늘어나고 있다.4,5
파우치-타입 리튬이차전지는 Figure 1에 보는 바와 같이 원통형 또는 각형 리튬이차전지와는 다르게 외장재로 사용되고 있는 파우치로 셀 내부를 외부로부터 보호하고 있으며 외부로부터 전기를 공급받고 전달해 줄 수 있도록 양-음극 금속 lead-tap이 나와 있는 구조로 되어있다. 파우치-타입 리튬이차전지의 외장재로 사용되고 있는 파우치에 요구되는 특성은 기체 및 수분 투과도에 대한 높은 저항성을 가져야 하며 전해액에 대한 부식 저항성 또한 우수해야 한다. 가장 널리 사용되고 있는 파우치는 3층 구조로 만들어져 있으며 Figure 1에 기본적인 형상을 나타내었다. 3층 구조로 이루어진 파우치의 겉면은 외부 환경에 대한 내구성을 가져야 하며 대표적으로 나일론 또는 PET(polyethylene terephthalate)와 같은 폴리머 소재를 사용한다. 3층 구조의 가운데는 알루미늄 박막이 위치해 있으며 기체 및 수분 침투를 막는 역할을 수행한다. 마지막으로 리튬이차전지 내부와 맞닿는 안쪽 층은 열융착을 통한 접착 특성이 확보되어야 하며 전해액에 대한 내구성을 가져야 하므로 대표적으로 폴리프로필렌을 사용한다.^6-8
파우치-타입 리튬이차전지의 경우 원통형 및 각형 리튬이차전지 대비 상기 언급한 여러 장점을 보유하고 있지만 파우치 안쪽의 폴리프로필렌을 열융착시켜 마감하는 방식이기 때문에 금속 캔을 사용하는 원통형 및 각형 전지 대비 구조적으로 외부로부터의 수분 침투성에 대해서 많은 취약점을 보유하고 있다. 따라서 아직까지도 파우치-타입 리튬이차전지의 장기 내구성 및 신뢰성에 대한 의구심은 완벽하게 해결되지 않은 상태이다.
상기 언급한 파우치-타입 리튬이차전지의 수분 침투성에 대한 장기 내구성 및 신뢰성을 확보하기 위해서는 가장 우선적으로 어떤 경로를 통해 수분이 침투되는지를 파악하고 그원인을 분석하는 것이 매우 중요한 연구임을 알 수 있으나 아직까지 이와 관련된 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 파우치-타입 리튬이차전지의 수분 침투 경로를 파악하기 위해 금속 lead-tap이 부착되어 있는 파우치-타입 리튬이차전지 dummy 셀(셀 외부는 실제 파우치-타입 리튬이차전지와 동일하게 생겼으나 셀 내부에는 전해액만 존재하고 전극 및 분리막은 없는 셀을 말함)과 금속 lead-tap을 부착하지 않은 dummy 셀을 제작하여 고온 고습 환경에 장시간 노출시켜 시간의 경과에 따른 파우치-타입 리튬이차전지 내부의 수분 함량 변화를 측정하여 금속 lead-tap 존재 여부가 파우치-타입 리튬이차전지의 수분 침투성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다.