JP7455989B2 - パウチ型電池セルおよびこれを含む電池モジュール - Google Patents
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Description
（関連出願との相互引用）
本出願は、２０２０年９月２８日付韓国特許出願第１０－２０２０－０１２６２７１号および２０２１年９月２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１１６８７１号に基づいた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全ての内容は本明細書の一部として組み含まれる。
本出願は、２０２０年９月２８日付韓国特許出願第１０－２０２０－０１２６２７１号および２０２１年９月２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１１６８７１号に基づいた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全ての内容は本明細書の一部として組み含まれる。
本発明は、パウチ型電池セルおよびこれを含む電池モジュールに関し、より具体的には寸法安定性が向上して、電池セル内部で発生したガスにより誘発されるベンティング現象を遅延させ、シーリング部の電気的腐食を防止するパウチ型電池セルおよびこれを含む電池モジュールに関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加することに伴い、エネルギー源として二次電池の需要が急激に増加している。特に、二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置に対するエネルギー源としても大きな関心を受けている。
このような二次電池は、電池ケースの形状により、電極組立体が円筒型または角型の金属カンに内装されている円筒型電池および角型電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内装されているパウチ型電池とに分類される。ここで、電池ケースに内蔵される電極組立体は、正極、負極、および前記正極と前記負極との間に介された分離膜構造からなって充放電が可能な発電素子として、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介して巻き取ったジェリーロール型と、多数の正極と負極を分離膜に介した状態で順次に積層したスタック型に分類される。
この中でも、特にスタック型またはスタック／フォルディング型電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が、低い製造費用、小さい重量、容易な変形形態などの理由により使用量が漸次に増加している。
図１は従来のパウチ型電池セルを示す正面図である。
図１を参照すれば、パウチ型電池セル１０は、上部ケース１２および下部ケース１３を含む電池ケース１４を含み、上部ケース１２および下部ケース１３に電極組立体（図示せず）が内装されている。また、上部ケース１２および下部ケース１３は、電極組立体と共に内装されている電解液を密封するために、上部ケース１２および下部ケース１３の外周面が熱融着されて形成されたシーリング部１５を含む。
図２は図１のパウチ型電池セルの側部を拡大して示す図面である。図２の（ａ）は電池セルが膨張する前の図面であり、（ｂ）は電池セルが膨張した後の図面である。図３は図１のパウチ型電池セルの側部が膨張した膨張領域Ａを示す図面である。
図１を参照すれば、パウチ型電池セル１０は、電池モジュールまたは電池パックの組立時、パウチ型電池セル１０の両面に位置した金属プレート２０に圧着されて使用される。図２および図３を参照すれば、パウチ型電池セル１０は、充放電過程で電池セル内部に多量のガスが発生し、これによって、密封されたケース内部に高圧を誘発してスウェリング現象が発生し、金属プレート２０によりパウチ型電池セル１０の上下部への膨張は遮断されるため、パウチ型電池セル１０の一側部が膨張領域Ａのように膨張することがある。
しかし、図３を参照すれば、従来のパウチ型電池セル１０の場合、パウチ型電池セル１０の一側部でスウェリング現象が発生すると、パウチ型電池セル１０の一側部はパウチ型電池セル１０の両面に位置した金属プレート２０の寸法を逸脱するようになる。これによって、パウチ型電池セル１０のシーリング部１５が破損する可能性が高くなり、これによって内部ガスが外部にベンティングされ、電池セル内部に外部気体または水分が流入して電池性能を低下させることがあるという問題がある。
これと共に、図３を参照すれば、シーリング部１５が外部に露出しており、パウチ型電池セル１０が電池モジュール（図示せず）内に装着される時、他の部品と接触することがある。そのために、充放電過程で陰電位を帯びるようになる場合、シーリング部１５に露出した金属部位に電気的腐蝕が発生されることで、水分遮断機能および電池機能を喪失する問題がある。そのために、一般的に、従来はシーリング部１５で露出する金属部位を畳んだり巻いて内側に位置させたり、前記金属部位に別途のテープを付着した。しかし、シーリング部１５で露出する金属部位を畳むか、または巻いて内側に位置させる場合には、依然としてシーリング部１５自体が電池セル１０の外面に露出しており、シーリング部１５の金属部位に発生される電気的腐食を完全に遮断し難い。また、前記金属部位に別途のテープを付着する場合、別途の追加工程が行われなければならないという問題がある。
そのために、パウチ型電池セル１０内部で発生されるガスによる外観変形に対する寸法安定性を確保しながらも、ベンティング現象を遅延させ、シーリング部の電気的腐食を防止することができるパウチ型電池セル１０の開発が要求される。
本発明の解決しようとする課題は、寸法安定性が向上して、電池セル内部で発生したガスにより誘発されるベンティング現象を遅延させ、シーリング部の電気的腐食を防止するパウチ型電池セルおよびこれを含む電池パックを提供することにある。
本発明が解決しようとする課題は、前述した課題に制限されず、言及されていない課題は本明細書および添付の図面から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解され得るだろう。
本発明の一実施形態によるパウチ型電池セルは、正極、負極、および前記正極と負極との間に介される分離膜を含む電極組立体；および前記電極組立体が装着される電池ケースを含み、前記電池ケースは、上部ケース、下部ケース、および前記上部ケースと前記下部ケースとの間に形成される収納部を含み、前記電池ケースは、前記上部ケースと前記下部ケースの外周面が互いに熱融着されているシーリング部が形成されており、前記シーリング部のうちの少なくとも一部の一端部は、前記電池ケースの内側に湾入されていてもよい。
前記シーリング部のうちの少なくとも一部の他端部は、前記上部ケースまたは前記下部ケースの側面に隣接した方向に曲がっていてもよい。
前記シーリング部のうちの少なくとも一部の他端部は、前記電池ケースの側面に対して内側に位置してもよい。
前記シーリング部のうち、電極リードが形成されている外周面の両側に位置した外周面に形成されたシーリング部の一端部は、前記電池ケースの内側に湾入されていてもよい。
前記シーリング部のうち、前記電池ケースの両側面で互いに対向する一対のシーリング部の一端部が前記電池ケースの内側に湾入されていてもよい。
前記一対のシーリング部の他端部は、前記上部ケースまたは前記下部ケースの側面に隣接した方向に曲がっていてもよい。
前記一対のシーリング部の他端部は、前記電池ケースの側面に対して内側に位置してもよい。
前記一対のシーリング部は、少なくとも一つの電極リードが形成されている外周面の両側に位置した外周面にそれぞれ形成されていてもよい。
前記収納部は、前記上部ケースに形成される第１収納部と、前記下部ケースに形成される第２収納部とを含み、前記第１収納部と前記第２収納部は、前記電極組立体の高さに対応する長さでそれぞれ湾入されていてもよい。
前記電池ケースは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートのパウチ型ケースからなることができる。
前記上部ケースと前記下部ケースは互いに対称な形状を有することができる。
本発明の他の一実施形態による電池モジュールは、前述したパウチ型電池セルを含む。
前記電池モジュールは、前記パウチ型電池セルの少なくとも一側面に位置する金属プレートをさらに含むことができる。
実施形態によれば、本発明は、パウチ型電池セルのシーリング部のうちの一部が電池セル内側に湾入された構造を有することによって、寸法安定性が向上し、電池セル内部で発生したガスにより誘発されるベンティング現象を遅延させ、シーリング部の電気的腐食を防止することができる。
本発明の効果は、前述した効果に制限されず、言及されていない効果は本明細書および添付の図面から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解され得るだろう。
以下、添付した図面を参照して本発明の多様な実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために、説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。
また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したため、本発明が必ずしも図示されたところに限定されるのではない。図面において、複数の層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外せず、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
また、明細書全体において、「平面上」という時、これは対象部分を上方から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を側方から見た時を意味する。
以下、本発明の実施形態によるパウチ型電池セル１００について説明する。ただし、ここではパウチ型電池セル１００の前後面のうち前面を基準として説明するが、必ずしもこれに限定されるのではなく、後面である場合にも同一または類似の内容で説明することができる。
図４は本発明の一実施形態によるパウチ型電池セルの正面図である。
図４を参照すれば、本発明の一実施形態によるパウチ型電池セル１００は、正極、負極および前記正極と負極との間に介される分離膜を含む電極組立体（図示せず）、および前記電極組立体が装着される電池ケース１４０を含む
電池ケース１４０は、上部ケース１２０、下部ケース１３０、および上部ケース１２０と下部ケース１３０との間に形成される収納部を含む。また、前記収納部は、上部ケース１２０に形成される第１収納部と、下部ケース１３０に形成される第２収納部とを含む。また、上部ケース１２０の第１収納部と下部ケース１３０の第２収納部がそれぞれ上部ケース１２０と下部ケース１３０面から湾入された構造であり得、これらが湾入された程度を示す湾入長さの合計は、前記電極組立体の高さに対応することができる。一例として、上部ケース１２０と下部ケース１３０は、前記電池ケース１４０の中心線に対して互いに対称な形状を有することができる。
図４を参照すれば、電池ケース１４０は、上部ケース１２０と下部ケース１３０の外周面が互いに熱融着されているシーリング部１５０が形成されている。ここで、上部ケース１２０および下部ケース１３０は、それぞれ樹脂層と金属層を含むラミネートシートのパウチ型ケースからなることができる。また、シーリング部１５０は、上部ケース１２０の樹脂層および下部ケース１３０の樹脂層が熱と圧力により互いに融着されて形成され得る。
図４を参照すれば、本実施形態によるシーリング部１５０のうちの少なくとも一部の一端部は、電池ケース１４０の内側に湾入されていてもよい。つまり、上部ケース１２０の一端部と下部ケース１３０の一端部とが接触して密封されるシーリング部１５０を形成するために、上部ケース１２０の密封延長部と下部ケース１３０の密封延長部が図４に示したように電池セル１００内側に凹状に入っている形状を有することができる。
また、変形の実施形態として、パウチ型電池セル１００は、電池モジュールまたは電池パックの組立時、パウチ型電池セル１００の両面に位置した金属プレート２００により圧着されて使用され得る。この時、金属プレート２００によりパウチ型電池セル１０の上下部への膨張は遮断されることで、パウチ型電池セル１００の側部でスウェリング現象が発生する。ここで、本実施形態によるパウチ型電池セル１００は、シーリング部１５０のうちの少なくとも一部の一端部は、電池ケース１４０の内側に湾入されており、スウェリング現象によるパウチ型電池セル１００の側部の外観変形に対する寸法安定性を確保することができる。
より具体的に、シーリング部１５０のうち、電池ケース１４０の両側面で互いに対向する一対のシーリング部１５０の一端部が電池ケース１４０の内側に湾入されていてもよい。つまり、互いに対向する電池ケース１４０の両側面で、上部ケース１２０の第１収納部および下部ケース１３０の第２収納部の各側面は電池ケース１４０の内側に向かって傾いていてもよい。一例として、前記シーリング部１５０は、少なくとも一つ以上の電極リード１７０が形成されている外周面の一側面または両側面に位置した外周面に形成されていてもよい。言い換えると、前記シーリング部１５０は、電極リード１７０が形成されていない外周面に形成されていてもよい。
これによって、本実施形態によるパウチ型電池セル１００は、シーリング部１５０の一端部は電池ケース１４０の内側に湾入されており、スウェリング現象は前記シーリング部１５０が位置した各側部で発生するように誘導することができる。また、前記シーリング部１５０が少なくとも一つの電極リード１７０が形成されている外周面の一側面または両側面に位置した外周面に形成されている場合、パウチ型電池セル１００の電極タブ（図示せず）と電極リード１７０との間の電気的連結がスウェリング現象により遮断されないことができ、セル安定性が高くなり得る。これと共に、パウチ型電池セル１００の側部に対する寸法安定性も確保することができる。
図５は図４のパウチ型電池セルの側部を拡大して示す図面である。図５の（ａ）は電池セルが膨張する前の図面であり、（ｂ）は電池セルが膨張した後の図面である。図６は図４のパウチ型電池セルの側部が膨張した領域を示す図面である。
図５および図６を参照すれば、シーリング部１５０の一端部が電池ケース１４０内側に湾入されている場合、膨張前後の電池セルの側部を考慮すると、本実施形態によるパウチ型電池セル１００は、１次膨張領域Ｂ１および２次膨張領域Ｂ２に該当する面積に該当するガスを捕集することができる。より具体的に、本実施形態によるパウチ型電池セル１００の側部で１次スウェリング現象の発生時、一次的に１次膨張領域Ｂ１の面積だけ側部が膨張することができる。また、パウチ型電池セル１００の側部で２次スウェリング現象の発生時、２次的に２次膨張領域Ｂ２の面積だけ側部が追加的に膨張することができる。
図３および図６を比較すると、本実施形態によるパウチ型電池セル１００は、従来の電池セル１０の膨張領域Ａに比べて１次膨張領域Ｂ１および２次膨張領域Ｂ２の総面積が相対的に大きく増加することで、従来の電池セル１０よりも多量のガスを捕集することができる。
また、図３の電池セル１０は、スウェリング現象の発生時、膨張領域Ａが直ちに金属プレート２０を逸脱する。これとは異なり、図６を参照すれば、本実施形態によるパウチ型電池セル１００は、１次スウェリング現象が発生しても、１次膨張領域Ｂ１は金属プレート２００の寸法内に位置するため、パウチ型電池セル１００の寸法安定性がより向上することができる。本実施形態によるパウチ型電池セル１００は、電池セル内部で発生されるガスをより多く捕集することができるため、寸法安定性が増加し、内部ガスによるベンティング現象も遅延させることができるという利点がある。また、パウチ型電池セル１００を利用した電池モジュールまたは電池パックの製造が容易になり得る。
また、シーリング部１５０のうちでも、電極リード１７０が位置しない外周面に形成されている前記シーリング部１５０が電池ケース１４０内側に湾入されている場合、本実施形態によるパウチ型電池セル１００は電極リード１７０が位置しない外周面が膨張することができる。そのために、本実施形態によるパウチ型電池セル１００は、パウチ型電池セル１００の電極タブ（図示せず）と電極リード１７０との間の電気的連結を妨害しないながらも、安定性が増加し、内部ガスによるベンティング現象も遅延させることができるという利点がある。
これと共に、本実施形態によるパウチ型電池セル１００を電池モジュールまたは電池パックのフレームに装着しても、パウチ型電池セル１００は電極リードが位置しない外周面が膨張して、パウチ型電池セル１００の電極リードと電池モジュールまたは電池パックとの間の電気的連結を妨害しないながらも、パウチ型電池セル１００を利用した電池モジュールまたは電池パックの製造が容易になり得る。
また、図４を参照すれば、シーリング部１５０の一端部が電池ケース１４０内側に湾入されている場合、シーリング部１５０の他端部は上部ケース１２０または下部ケース１３０の一側面に隣接した方向に曲がっていてもよい。つまり、シーリング部１５０の他端部は上部ケース１２０または下部ケース１３０の側面に隣接するように曲がっていてもよい。
より具体的に、電池ケース１４０の両側面で互いに対向する一対のシーリング部１５０の一端部が電池ケース１４０内側に湾入されている場合、前記一対のシーリング部１５０の他端部は上部ケース１２０または下部ケース１３０の側面に隣接した方向に曲がっていてもよい。つまり、前記一対のシーリング部１５０の他端部は上部ケース１２０または下部ケース１３０の両側面にそれぞれ隣接して曲がっていてもよい。
これによって、シーリング部１５０の他端部は電池ケース１４０の側面に対して電池ケース１４０の内側に位置することができるため、別途の追加工程なしでもシーリング部１５０が外部に露出することを防止することができる。また、シーリング部１５０が外部に露出することを防止することによって、パウチ型電池セル１００が電池モジュール（図示せず）内に装着される場合、シーリング部１５０が他の部品と接触することを防止することができる。これによって、シーリング部１５０と他の部品との接触により発生される電気的腐食を防止することができる。また、シーリング部１５０はパウチ型電池セル１００の絶縁性能も向上することができる。また、本実施形態によるパウチ型電池セル１００は、電池モジュールまたは電池パックのフレームに一層容易に装着され得る。
図７は本発明の他の一実施形態によるパウチ型電池セルの正面図である。
図７を参照すれば、本発明の他の一実施形態による電池セル１０１は、図４の電池セル１００のように、正極、負極および前記正極と前記負極との間に介される分離膜を含む電極組立体（図示せず）、および前記電極組立体が装着される電池ケース１４０を含む。本実施形態において、各構成要素に関する説明の大部分は図４の電池セル１００と同一に説明することができ、図４の電池セル１００と異なる部分を中心に説明する。
本実施形態の電池セル１０１は、電池ケース１４０で電極リード１７０が形成されている外周面に対して両側に位置した外周面のうちの一つはシーリング部１５０が形成されており、他の一つはシーリング部１５０が形成されていなくてもよい。一例として、図７の電池セル１０１の左側部分を参照すると、シーリング部１５０が形成されていない面は別途のシーリングが行われず、電池ケース１４０の上部ケース１２０および下部ケース１３０が互いに一体化している面であり得る。
本実施形態において、電池ケース１４０で電極リード１７０が形成されている外周面に対して両側に位置した外周面のうち、シーリング部１５０が形成された部分は、シーリング部１５０の一端部が電池ケース１４０の内側に湾入されていてもよい。また、電池ケース１４０で電極リード１７０が形成されている外周面に対して両側に位置した外周面のうち、シーリング部１５０が形成されていない部分は、図７のように湾入されていなくてもよく、図７とは異なり、湾入されていてもよい。
これによって、本実施形態によるパウチ型電池セル１０１において、電池ケース１４０で電極リード１７０が形成されている外周面に対して両側に位置した外周面で、一つの外周面に形成されたシーリング部１５０の一端部が電池ケース１４０の内側に湾入されており、スウェリング現象は前記シーリング部１５０が位置した各側部で発生するように誘導することができる。また、他の一つの外周面にはシーリング部１５０が形成されておらず、電池セル１０１の密封力がより向上することができる。
本発明の他の一実施形態による電池モジュールは、前記で説明したパウチ型電池セルを含む。一方、本実施形態による電池モジュールは、一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することもできる。
前述した電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用され得るが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびこれを含む電池パックを使用することができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する
以上で本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
１０ パウチ型電池セル
１０ 電池セル
１２ 上部ケース
１３ 下部ケース
１４ 電池ケース
１５ シーリング部
２０ 金属プレート
１００、１０１：パウチ型電池セル
１２０：上部ケース
１３０：下部ケース
１４０：電池ケース
１５０：シーリング部
１７０ 電極リード
２００：金属プレート
１０ 電池セル
１２ 上部ケース
１３ 下部ケース
１４ 電池ケース
１５ シーリング部
２０ 金属プレート
１００、１０１：パウチ型電池セル
１２０：上部ケース
１３０：下部ケース
１４０：電池ケース
１５０：シーリング部
１７０ 電極リード
２００：金属プレート
Claims (12)
- 正極、負極、および前記正極と前記負極との間に介される分離膜を含む電極組立体；および
前記電極組立体が装着される電池ケースを含むパウチ型電池セルであって、
前記電池ケースは、上部ケース、下部ケース、および前記上部ケースと前記下部ケースとの間に形成される収納部を含み、
前記電池ケースには、前記上部ケースと前記下部ケースの外周面が互いに熱融着されているシーリング部が形成されており、前記シーリング部の根元が、前記電池ケースの垂直投影面内に位置しており、
前記パウチ型電池セルの少なくとも一側面には、金属プレートが配設されており、
前記シーリング部の一端部は、少なくとも部分的に前記金属プレートの垂直投影面内に湾入されており、前記垂直投影面は、前記金属プレートの端断面の延長面である、パウチ型電池セル。 - 前記シーリング部の他端部は、少なくとも部分的に前記上部ケースまたは前記下部ケースの側面に向かって延在している、請求項１に記載のパウチ型電池セル。
- 前記シーリング部の前記他端部は、少なくとも部分的に前記金属プレートの垂直投影面内に位置する、請求項２に記載のパウチ型電池セル。
- 前記シーリング部のうち、電極リードが形成されている外周面の両側に位置した外周面に形成された前記シーリング部の一端部は、少なくとも部分的に前記金属プレートの垂直投影面内に位置する、請求項１～３のいずれか一項に記載のパウチ型電池セル。
- 前記シーリング部のうち、前記電池ケースの両側面で互いに対向する一対のシーリング部の一端部が前記電池ケースの内側に湾入されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のパウチ型電池セル。
- 前記一対のシーリング部の他端部は、前記上部ケースまたは前記下部ケースの側面に隣接した方向に曲がっている、請求項５に記載のパウチ型電池セル。
- 前記一対のシーリング部の前記他端部は、前記金属プレートの垂直投影面内に位置する、請求項６に記載のパウチ型電池セル。
- 前記一対のシーリング部は、少なくとも一つの電極リードが形成されている外周面の両側に位置した外周面にそれぞれ形成されている、請求項５に記載のパウチ型電池セル。
- 前記収納部は、前記上部ケースに形成される第１収納部と、前記下部ケースに形成される第２収納部とを含み、
前記第１収納部と前記第２収納部は、前記電極組立体の高さに対応する長さでそれぞれ湾入されている、請求項１～８のいずれか一項に記載のパウチ型電池セル。 - 前記電池ケースは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートのパウチ型ケースからなる、請求項１～９のいずれか一項に記載のパウチ型電池セル。
- 前記上部ケースと前記下部ケースは互いに対称な形状を有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載のパウチ型電池セル。
- 請求項１～１１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。
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