KR100501416B1 - 전지 박스 - Google Patents

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KR100501416B1
KR100501416B1 KR10-2002-7003780A KR20027003780A KR100501416B1 KR 100501416 B1 KR100501416 B1 KR 100501416B1 KR 20027003780 A KR20027003780 A KR 20027003780A KR 100501416 B1 KR100501416 B1 KR 100501416B1
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Abstract

전지 박스(14)는 습기와 산소의 침입 및 액체 전해질의 탈출에 대해 밀봉될 수 있다. 전지 박스는 제1 단부(16), 제1 단부 반대쪽의 제2 단부(18), 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되어 다수의 재충전 가능한 리튬 전지 셀을 수용하는 챔버를 형성하는 측벽(20)을 포함한다. 제1 단부와 측벽은 금속제이고 그 사이에 실질적으로 습기와 산소 가스에 대해 불투과성인 결합부를 갖는다. 제2 단부는 결합 매체에 의해 측벽에 결합될 수 있는 금속 플라스틱 라미네이트로 이루어져 그 사이에 실질적으로 습기와 산소에 대해 불투과성인 결합부를 형성한다. 제2 단부는 리튬 전지 셀의 집전 장치와 전지 박스의 외부 사이에 실질적으로 습기와 가스 불투과성의 결합이 이루어질 수 있게 하는 관통 연장된 전기 커넥터(40)를 구비한다.

Description

전지 박스{BATTERY BOX}
본 발명은 재충전 가능한 리튬 전지 셀로 재충전 가능한 리튬 전지를 조립하는 것 및 그 구조에 관한 것이다.
재충전 가능한 리튬 전지 셀은 원통형의 금속관 또는 포일 파우치에 개별적인 셀 유닛으로서 포장되는 것이 일반적이다. 각 셀 유닛은 양극 전극과 음극 전극, 전해질 및 양극 집전 장치와 음극 집전 장치를 포함한다. 집전 장치는 전기 접속이 가능하도록 패키지의 외부에서 접근할 수 있어야 한다.
재충전 가능한 리튬 전지 셀에 사용되는 물질 때문에, 셀은 원하지 않는 반응을 피할 수 있도록 습기와 산소의 침입에 대해 보호되어야 한다. 또한, 액체 전해질이 사용되는 경우, 액체 전해질의 탈출을 방지할 수 있도록 포장해야 한다. 셀 밀봉부는 일반적으로 크고 무거워서, 대개 셀 중량과 부피의 10%를 초과하게 된다.
여러 가지 예비 용량과 전압 요건에 부합하도록, 다수의 셀을 상호 적절히 접속된 상태로 플라스틱 전지 박스 내에 수용하는 것이 일반적이다. 전지 박스는 주로 전지 셀을 수용하는 구조를 제공한다. 셀 자체가 산소와 습기의 침입 및 전해질의 탈출에 대해 밀봉됨에 따라, 과거에는 리튬 이온 셀용 기밀 밀봉 전지 박스를 마련하는 것이 필요하다거나 비용 효율적이라는 것을 생각하지 못했다.
"포일" 파우치로 포장된 리튬 전지 셀에 있어서, 폴리머로 피복된 포일을 사용하면 집전 장치로부터의 리드가 포일 재료와 접촉하여 단락되지 않도록 적절하게 보증할 필요성이 제기된다. 이러한 문제는, 일반적으로 크기에 맞게 절단되어 전기 전도성 포일이 리드 근처에서 노출됨으로써 리드를 차폐할 필요성이 제기되는 포일 커버의 외측 가장자리부를 따라 특히 심각하다.
도 1은 종래의 재충전 가능한 리튬 전지 셀의 일부 절제 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 재충전 가능한 리튬 전지의 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 전지 박스의 제2 단부의 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 전지 박스의 제2 단부의 저면도.
도 5는 단면으로 나타난 표면만을 도시하는 도 3의 5-5선에 따른 단면도.
본 발명의 목적은 기계적으로 강하고 기밀 밀봉될 수 있는 재충전 가능한 리튬 전지 셀용 전지 박스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 개별 셀의 포일 캡슐화를 배제하고 캡슐화 물질을 더 얇게 할 수 있도록 재충전 가능한 리튬 전지 셀을 전지 박스와 조합하는 방법을 제공하는 것이다.
전지 박스는 습기와 산소의 침입 및 액체 전해질의 탈출에 대해 밀봉할 수 있다. 전지 박스는 제1 단부, 상기 제1 단부 반대쪽의 제2 단부 및 상기 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하여 다수의 재충전 가능한 리튬 전지 셀을 수용하기 위한 챔버를 형성하는 측벽을 포함한다.
제1 단부와 측벽은 금속제이고, 그들 사이의 결합부는 실질적으로 습기와 산소 가스가 침입할 수 없게 되어 있다.
제2 단부는 측벽들과의 사이에 실질적으로 습기와 산소 가스가 투과할 수 없는 결합부를 형성하도록 결합 매체에 의해 측벽에 결합될 수 있는 금속 플라스틱 라미네이트로 이루어진다. 제2 단부는 그것을 관통해 연장하는 전기 커넥터를 구비하여, 재충전 가능한 리튬 전지 셀의 집전 장치와 전지 박스의 외부 사이에 실질적으로 습기와 가스가 투과할 수 없는 결합이 이루어질 수 있게 한다.
양극 전극과 음극 전극, 전해질 및 양극 집전 장치와 음극 집전 장치를 구비하는 재충전 가능한 리튬 전지 셀 유닛으로 리튬 전지를 조립하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 기밀 밀봉 가능한 박스 내에 다수의 셀 유닛을 적층하는 단계와, 인접한 셀 유닛 사이 및 셀 유닛과 박스 사이에 전기적으로 절연성의 장벽을 제공하는 단계와, 소정의 양극 집전 장치와 음극 집전 장치 사이에 원하는 임의의 전기 접속을 행하는 단계와, 소정의 집전 장치와 전지 박스의 외부 사이에 전기 연속성을 제공하는 단계와, 전지 박스를 기밀 밀봉하는 단계를 구비한다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 이하에 설명한다.
본 발명에 따른 재충전 가능한 리튬 전지가 도 2에 전체적으로 참조 번호 10으로 도시되어 있다. 상기 전지(10)는 제1 단부(16), 제2 단부(18) 및 측벽(20)을 갖는 전지 박스(14) 내에 적층된 3개의 재충전 가능한 리튬 전지 셀(12)을 구비한다. 3개의 리튬 이온 셀을 도시하였지만, 실제의 개수는 용도에 따라 변할 수도 있다.
도 1은 일반적인 포일로 포장된 리튬 전지 셀(12)을 도시하고 있다. 상기 셀은 양극 전극(22), 음극 전극(24), 전해질(26) 및 양극 리드 및 음극 리드 또는 집전 장치(28, 30)를 포함하며, 이들 각각은 파우치(32)내에 밀봉되어 있다. 리드(28, 30)는 양극 전극 및 음극 전극(22, 24) 각각과 파우치(32)의 외부 사이를 전기적으로 도통시킨다.
재충전 가능한 리튬 전지는 통상 리튬 이온을 함유하는 음극 전극을 포함하지만, 대신에 리튬 금속 또는 음합금(negative alloy)을 포함할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 본 명세서의 교시가 리튬 금속 또는 리튬 이온을 함유하는 음극에 적용되는 한, "리튬 전지 셀"과 "리튬 전지"라는 표현은 양쪽 변형예를 포함하는 것으로 의도된다.
상기 배경 기술에서 언급한 바와 같이, 습기와 산소가 리튬 전지 셀의 내부와 접촉하는 것을 방지하는 것이 필요하다. 과거에, 이것은 실질적으로 습기와 산소가 불투과성인, 즉 "기밀 밀봉된" 셸 내에 각 리튬 이온 셀을 캡슐화함으로써 셀별로 달성되었다. 예컨대, 도 1에 도시된 종래의 리튬 전지 셀(12)의 경우, 플라스틱 라미네이트가 적어도 내측면에, 바람직하게는 양면에 피복된 적절한 금속 포일로 제조되었다. 알루미늄이 통상 선택되는 금속 포일이지만, 구리 또는 적절한 두께로 형성될 수 있으며 습기 및 산소에 대하여 양호한 불투과성을 나타내는 임의의 기타 금속도 사용될 수 있다.
불행히도, 충분한 습기와 가스 불투과성을 갖기 위해서는 포일 파우치에 비교적 두꺼운 포일이 필요하며, 그 결과 포일 패키지가 셀 중량과 부피의 10% 이상이 될 수 있다. 더욱이, 상기 포일은 리튬 전지 셀(12)을 꼭 끼는 용기 속으로 밀어 넣으려 하면 코너부가 파손되기 쉽다.
본 발명에 따르면, 개별적으로 밀봉되는 셀을 위한 홀더로서 기본적으로 작용하는 종래의 전지 박스와 달리, 전지 박스(14)는 습기와 산소 침입에 대한 밀봉 기능을 수행한다. 이는 더 얇고 가벼운 파우치(32)의 사용과, 예컨대 폴리머 필름제의 비금속 파우치(32)의 실현을 가능하게 한다. 비(非)액체 전해질의 경우, 개별적인 리튬 전지 셀(12)을 서로, 그리고 전지 박스(14)로부터 거의 전기적으로 절연시키기 위한 포장이 고려되지 않을 수 있다. 비금속 파우치의 장점은 집전 장치 또는 리드(28, 30)와 파우치(32)의 가장자리부를 따라 노출된 금속 포일 사이에서 단락의 위험이 방지된다는 것이다.
액체 전해질(26)이 사용되는 경우, 파우치(32)는 단지 전해질 탈출에 대해 실질적으로 불투과성을 가져야 하는데, 이는 산소 또는 습기 침입에 부합하는 요건보다 낮은 것이다. 따라서, 파우치(32)는 매우 얇게 되고 또한 콤팩트한 박스 속으로 눌려 들어갈 때 일반적인 포일 파우치를 갖는 경우에 비해 누설되는 경향이 작다. 명확을 기하기 위해, "습기"에 관해서 말하면, 그것은 본 명세서에서, 특히 증기 형태의 물을 주로 가리키는 것으로 의도된다는 것을 이해해야 한다.
전지 박스(10)는 주석과 같은 금속 재료로 된 제1 단부(16)와 측벽(20)을 구비한다. 제1 단부(16)는 측벽(20)과 일체로 될 수 있지만, 납땜 또는 필요에 따라 폴리머 접착제와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 측벽(20)에 결합될 수 있는 별개의 제1 단부(16)를 갖는 것이 조립에 더 편리할 수도 있다.
도시된 측벽(20)의 형상은 거의 장방형이다. 이것은 필요 조건은 아니지만, 도시된 리튬 전지 셀(12)의 형상에 적합한 것이다. 필요에 따라 다른 형상을 선택해도 좋다.
리튬 전지 셀(12)은 중간 리드(34)에 의해 필요에 따라 직렬 또는 병렬로 상호 접속될 수 있다. 주(主) 출력 리드(36)는 제1 리튬 셀 및 마지막 리튬 전지 셀(12)의 반대 극성의 상호 접속되지 않은 집전 장치를 전지 박스(14)의 제2 단부(18)를 관통하여 연장되는 전기 커넥터(40)에 접속시킨다. 추가의 출력 리드(38)는 중간 리드(34)를 상기 제2 단부(18)를 통해 연장되는 추가의 전기 커넥터(40)에 접속시킨다. 충전 또는 방전을 위한 별개의 전기 커넥터(40)가 각 양극 및 음극 집전 장치(28, 30)를 위해 마련되는 경우 모든 셀의 상호 접속이 내부에서 이루어질 필요는 없으며, 필요하다면 셀의 상호 접속이 외부에서 이루어질 수도 있다.
전지 박스(14)의 제2 단부는 전기 커넥터(40)에서 전지 박스의 외부로 별개의 전기 접속을 제공하면서도 측벽(20)에 대해 밀봉 가능하게 결합될 수 있어야 한다.
그러나, 산소와 습기에 대하여 불투과성의 관점에서, 금속제의 제2 단부(18)가 바람직하며, 이것은 별개의 전기 커넥터(40)를 제공하기 위해 적절하게 절연 밀봉 구성을 필요로 한다. 적정 수준의 습기와 공기 불투과성은 이하에 설명하는 바와 같이 전기 커넥터 영역이 적절하게 변경된 구리/열경화성 수지/구리 인쇄 회로 기판에 의해 달성되는 것으로 판명되었다.
이제, 제2 단부(18)를 상세히 도시하고 있는 도 3, 도 4 및 도 5를 참조한다. 도 3은 일반적인 열경화성 플라스틱 인쇄 회로 기판의 기재와 같은 비전도성의 실질적인 강성 기판(46) 위에 적층되고 통상 구리로 제조되는 내부 포일층(44)을 구비하는 내부면(42)을 도시하고 있다. 내부 포일층(44)은 실질적으로 전체 내부면(42)에 걸쳐 연장되지만, 전기 커넥터(40) 둘레에서 연장되는 원형 파열부(48) 때문에 전기적으로 절연된 분리된 커넥터 영역(50)을 형성한다.
플라스틱 라미네이트와 같은 절연 피막(52)이 위에서 연장하여 내부면(42)의 주변 둘레의 노출된 가장자리부(54)를 남기며, 이 노출될 영역은 전기 커넥터(40)로서 작용한다. 노출된 가장자리부(54)는 제2 단부(18)와 측벽(20) 사이에 땜납 결합이 이루어질 수 있게 한다.
기판(46)의 파열부(48)를 통해 산소와 습기가 침입하는 것을 방지하기 위해, 실질적으로 습기와 산소에 대해 불투과성인 오버레이(56;overlay)가 파열부(48) 위에 배치된다. 상기 오버레이(56)는 점착성 포일로 이루어지며 전지 박스(14)와 대면하는 비전도성 폴리머 피막을 구비할 수도 있다. 각 오버레이(56)는 오버레이를 관통하고 연계된 전기 커넥터(40)로부터 떨어진 원형 개구(58)를 구비하여 커넥터(40)를 노출시키고 그 사이에 전기 전도를 방지한다.
전기 커넥터(40)는 인접한 내부 포일층(44) 부분과 외부 포일층(64) 사이에서 기판(46)을 관통하는 도금된 관통 구멍일 수 있다. 전기 커넥터(40)는 전지 박스의 내부 전도층과 전지 박스(14)의 외부 사이를 전기적으로 전도시킨다. 이와 같이, 원하는 임의의 전기 접속이 전기 커넥터에 직접적으로 이루어질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 또한 도금된 관통 구멍인 도 3과 도 5의 전지 단자(60)와 같은 전기 단자를 스트립의 가장자리부를 따라 제공하는 것이 보다 편리하다고 일반적으로 알려져 있다. 전기 단자(60)는 도체 스트립(62)에 의해 각각의 전기 커넥터(40)에 전기적으로 접속된다. 도체 스트립(62)은 외부 포일층(64)의 일부를 에칭하여 분리된 도체 스트립(62)을 남김으로써 제2 단부(18)의 외부면상의 외부 포일층(64)에 형성될 수 있다.
플라스틱 라미네이트와 같은 외부 절연 피막(66)이 외부 포일층(64) 위에 피복되어 외부 포일층(64)과의 바람직하지 않은 전기 접촉을 방지한다.
전지 박스(14)는 전지의 충전과 방전 공정을 감시하도록 리튬 전지 셀(12)에 접속되는, 도 2에서 참조 번호 68로 개략적으로 도시된 것과 같은 전자 회로를 선택적으로 포함해도 좋다. 이와 달리, 전자 회로(68)는 외부에서 전지 단자(60)에 접속될 수도 있으며 반드시 전지(10)의 부품인 것은 아니다.
배출, 밀봉 또는 적절한 포팅 재료에 의한 (전체적 또는 부분적인) 재충전을 가능하게 하는 밀봉 가능한 포트(70)를 마련해도 좋다. 이러한 밀봉 가능한 포트(70)는 전기 커넥터(40)와 마찬가지로 땜납에 의해 밀봉될 수 있는 도금된 관통 개구이다.
상기 설명은 제한의 의미보다는 예시의 의미로 의도된 것이다. 특정 구성요소 및 기술한 방법론에 대한 변경은 관련 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 그러한 변경이 이하에 기재된 어떠한 청구범위의 사상과 범위 내에 있는 한, 그러한 변경은 이 청구범위 내에 포함되는 것으로 간주된다.

Claims (9)

  1. 습기와 산소의 침입 및 액체 전해질의 탈출에 대해 밀봉 가능한 전지 박스에 있어서,
    제1 단부, 이 제1 단부 반대쪽의 제2 단부 및 상기 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되어 다수의 리튬 전지 셀을 수용하는 챔버를 형성하는 측벽과,
    내부 포일층 위에서 연장되고 상기 측벽에 대한 고정을 위해 상기 제2 단부 둘레에서 연장되는 포일의 노출된 가장자리부가 남겨져 있는 절연 피막과,
    각 파열부를 덮고, 전기 커넥터 둘레에서 관통 연장되며 전기 커넥터로부터 떨어져 있는 개구를 갖는 실질적으로 산소와 습기에 대해 불투과성인 오버레이
    를 구비하고,
    상기 제1 단부와 측벽은 금속제이고 그 사이에 실질적으로 습기와 산소 가스 에 대해 불투과성인 결합부를 가지며,
    상기 제2 단부는 결합 매체에 의해 측벽에 결합되어 그 사이에 실질적으로 습기와 산소에 대해 불투과성인 결합부를 형성할 수 있고,
    상기 제2 단부는 리튬 전지 셀의 집전 장치와 전지 박스의 외부 사이에 실질적으로 습기와 산소 가스에 대해 불투과성인 접속이 이루어질 수 있게 하는 관통 연장된 전기 커넥터를 가지며,
    상기 제2 단부는 비전도성의 거의 강성 기판 위에에 적층된 실질적으로 습기와 산소에 대해 불투과성인 금속 내부 포일층을 더 구비하고, 상기 내부 포일층은 실질적으로 모든 기판을 덮지만 내부 포일층의 개별 파열부에 의해 내부 포일층의 나머지로부터 전기적으로 절연된 분리된 커넥터 영역을 다수 구비하며,
    상기 전기 커넥터는 분리된 커넥터 영역과 전지 박스의 외부 사이에서 연장되는 것인 전지 박스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 단부는 포일/플라스틱/포일 인쇄 회로 기판으로 제조되고,
    상기 포일 위의 절연 피막은 플라스틱 라미네이트이며,
    상기 파열부는 절연 피막을 피복하기 전에 내부 포일층으로부터 에칭되고,
    상기 커넥터는 도금된 관통 개구이며,
    상기 제2 단부는 기판의 내부 포일층 반대측에 외부 포일층을 갖고,
    상기 외부 포일층은 적절한 내부 간극에 의해 서로 전기적으로 절연된 다수의 분리된 도체 스트립으로 분리되며, 각 도체 스트립은 각 커넥터와 전기적으로 도통되고 각 전지 단자에서 종결되며,
    상기 제1 단부와 제2 단부는 솔더링에 의해 상기 측벽에 결합되어 그 사이의 결합부에 실질적으로 습기와 산소 가스 불투과성을 부여하는 것인 전지 박스.
  3. 제1항에 있어서, 전지 박스의 배출을 위해 밀봉 가능한 관통 포트를 더 구비하는 것인 전지 박스.
  4. 제1항, 2항 또는 3항에 따른 전지 박스 내에 기밀 밀봉되는 다수의 재충전 가능한 리튬 전지 셀을 구비하는 재충전 가능한 리튬 전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 재충전 가능한 리튬 전지 셀은 양극 전극과 음극 전극, 전해질 및 양극과 음극 집전 장치를 각각 구비하며,
    상기 재충전 가능한 리튬 전지 셀은 전지 박스 내에 적층되는데, 인접한 셀 유닛 사이 및 셀 유닛과 전지 박스 사이에 절연 매체가 개재되고,
    상기 집전 장치는 직렬로 커넥터에 접속되는 것인 재충전 가능한 리튬 전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전해질은 액체이고,
    상기 각각의 재충전 가능한 리튬 전지 셀은 비전도성의 전해질 불투과성 파우치 내에 밀봉되며,
    각각의 리드는 전해질에 대해 불투과성인 방식으로 각각의 양극과 음극 집전 장치로부터 연장되는 것인 재충전 가능한 리튬 전지.
  7. 제5항에 있어서, 상기 전지 박스는 포팅(potting) 재료로 채워지는 것인 재충전 가능한 리튬 전지.
  8. 제6항에 있어서, 상기 전지 박스는 포팅 재료로 채워지는 것인 재충전 가능한 리튬 전지.
  9. 제6항에 있어서, 충전과 방전을 감시하기 위해 재충전 가능한 전지 셀에 접속된 전자 회로를 전지 박스의 내부에 더 구비하는 것인 재충전 가능한 리튬 전지.
KR10-2002-7003780A 1999-09-24 2000-09-22 전지 박스 KR100501416B1 (ko)

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US09/404,602 1999-09-24
US09/404,602 US6337154B1 (en) 1999-09-24 1999-09-24 Battery box with a metal plastic laminate end

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