KR100615169B1 - 리튬 이차전지 및 리튬 이차전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬이차전지 및 리튬 이차전지 모듈에 관한 것이다. 본 발명은, 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극조립체와; 상기 전극조립체를 삽입하는 수납부와, 상기 음극단자가 외부로 노출되는 제1플랜지부와 상기 양극 단자가 외부로 노출되는 제2플랜지부를 구비하여 상기 전극 조립체를 밀봉하는 플랜지부를 구비하는 소정 형상의 케이스;를 구비하는 리튬 이차전지가 복수개 직렬연결되어 형성되는 리튬 이차전지 모듈에 있어서, 상기 리튬 이차전지는, 상기 제1플랜지부와 상기 제2플랜지부는 상기 케이스의 대향하는 측면으로 절곡되며, 상기 음극단자는 상기 제1플랜지부의 측면으로 절곡되며, 그리고, 상기 양극단자는 상기 제2플랜지부의 측면으로 절곡되어 형성되며, 인접하는 각각의 상기 리튬 이차전지는, 상기 음극단자와 상기 양극단자가 직접 접촉하여 판상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지 모듈을 개시한다.

Description

리튬 이차전지 및 리튬 이차전지 모듈{Lithium secondary battery and module}

도 1은 종래의 리튬 이차전지의 분리사시도이며,

도 2는 도 1의 평면도를 도시한 것이며,

도 3은 도 1의 리튬 이차전지가 다수개 직렬연결된 리튬 이차 전지의 모듈을 도시한 것이며,

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서 리튬 이차전지의 분리 사시도이며,

도 5a 내지 도 5e는 도 4의 전극조립체를 제조하는 일예를 도시한 것이며,

도 6은 밀봉된 후의 도 4의 리튬이차전지의 사시도이며

도 7은 플랜지부가 절곡된 후의 리튬이차전지의 사시도이며, 그리고,

도 8은 본 발명에 따른 일실시예로서 리튬 이차 전지가 다수개 직렬연결된 리튬 이차전지 모듈을 도시한 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100. 리튬 이차전지 110. 케이스

118. 전극 조립체 122. 음극 단자

123. 양극단자 150a.제1플랜지부

150b. 제2플랜지부 200. 리튬이차전지 모듈

본 발명은 리튬 이차전지에 관한 것이며, 보다 상세하게는 리튬이차전지가 직렬연결된 리튬이차전지 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 무선 기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동용 전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는 예를 들어, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이중에서 리튬 이차전지는 수명이 길고 용량이 크다는 장점을 가지고 있다.

도 1은 통상적인 리튬 이차전지의 전극조립체의 분리사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도를 도시한 것이며, 도 3은 도 1의 리튬 이차전지가 다수개 직렬연결된 리튬 이차 전지의 모듈을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 리튬 이차전지(50)는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터(separator)를 구비하는 전극조립체(18)와, 전극조립체(18)를 감싸서 밀봉하는 케이스(10)를 구비한다.

전극조립체(18)는 음극단자(22)와 양극단자(23)가 파우치형의 케이스(10)의 외부로 노출된 상태에서 케이스(10)에 밀봉되며, 음극단자(22)와 양극단자(22)는 외부의 전기 회로와 연결됨으로써 전지와 외부 전기회로 상호간 에너지 이동을 할 수 있게 된다. 여기서, 음극단자(22)는 음극판의 음극탭(20)과 연결되며, 양극단자(23)는 양극판의 양극탭(21)과 각각 연결된다.

케이스(10)는 케이스 본체(14)와, 상기 케이스본체(14)와 결합되어 전극조립체(18)를 밀봉하는 판상의 덮개부(16)을 구비한다. 이러한 케이스(10)의 소재로는, 가공성이 용이하며 여러 가지 형태로 제작이 가능한 알루미늄이 널리 사용된다.

케이스 본체(14)는, 상면이 개방되어 있고 전극조립체(18)가 삽입되는 수납부(12)와 이 수납부(12)로부터 바깥쪽으로 소정길이 연장된 제1접합부(13)가 형성된다.

덮개부(16)는, 상기 제1접합부(13)에 접합되는 제2접합부(15)가 그 가장자리를 따라 형성되며, 상기 수납부(12)가 밀폐되도록 케이스 본체(14)와 일체형으로 형성된다.

이러한 리튬 이차전지는, 전극조립체(18)를 수납부(12)에 수납하고, A-A선을 따라 접은 후, 제1접합부(13)와 제2접합부(15)를 상호 접촉시킨 다음 열융착됨으로써 제조된다.

도 2를 참조하면, 전극조립체(18)가 케이스의 수납부(12)에 수납된 후 제1접합부(13)와 제2접합부(15)가 상호 열융착되어 밀봉된 상태에서 전극단자 즉, 양극단자와 음극단자가 케이스 외부로 노출된다.

그런데, 이러한 전지에 있어서는 열융착된 부분을 따라 넓은 플랜지부(19)가 형성되기 때문에, 전극 부피가 커지고 전지 용량에 기여하지 못하는 소위 데드 볼륨(D₁×D₂)이 존재하며, 이로 인하여 전지용량 감소 및 단위 부피당 에너지 밀도 감소를 초래한다.

또한, 전극단자(18B)가 전지 케이스(10)의 외부로 수직하게 돌출되어 미관상 바람직하지 않을 뿐 아니라 화성공정시 탭을 일일이 잭에 물려야 하므로 작업상 번거롭게 되며, 작업이 불연속적으로 이루어지게 되어 생산성이 저하된다.

도 3을 참조하면, 이러한 리튬이차전지에 있어서, 전지 모듈 예컨데, 30Amphere/hour이상의 전지모듈(60)은 복수개의 리튬이차전지(50)를 직렬연결하여 만들어지는데, 각각의 리튬이차전지를 겹쳐 세워서 각각의 양극단자(23)와 음극단자(22)를 직렬연결하고, 이를 플라스틱 고분자 재료 등의 모듈 케이스(70)에 삽입하여 사용하게 된다.

그런데, 이와 같은 리튬이차전지 모듈은 각 전극단자가 용접되어 직렬연결되므로, 이를 위한 여유공간이 전극 단자와 모듈 케이스 사이에 필요하며, 또한 셀이 겹쳐져서 적층되고 있으므로 리튬 이차전지(50)의 내부에서 발생되는 열이 쉽게 방출되지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 리튬이차전지의 에너지 밀도가 개선되며, 리튬이차전지를 직렬연결하여 사용할 때 열전달 효율이 향상될 수 있는 구조의 리튬이차전지 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일측면에 따른 리튬이차전지는, 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극조립체와; 상기 전극조립체를 삽입하는 수납부와, 상기 음극단자가 외부로 노출되는 제1플랜지부와 상기 양극 단자가 외부로 노출되는 제2플 랜지부를 구비하여 상기 전극 조립체를 밀봉하는 플랜지부를 구비하는 소정 형상의 케이스;를 구비하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 제1플랜지부와 상기 제2플랜지부는 상기 케이스의 대향하는 측면으로 절곡되며, 상기 음극단자는 상기 제1플랜지부의 측면으로 절곡되며, 그리고, 상기 양극단자는 상기 제2플랜지부의 측면으로 절곡되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극조립체와; 상기 전극조립체를 삽입하는 수납부와, 상기 음극단자가 외부로 노출되는 제1플랜지부와 상기 양극 단자가 외부로 노출되는 제2플랜지부를 구비하여 상기 전극 조립체를 밀봉하는 플랜지부를 구비하는 소정 형상의 케이스;를 구비하는 리튬 이차전지가 복수개 직렬연결되어 형성되는 리튬 이차전지 모듈에 있어서, 상기 리튬 이차전지는, 상기 제1플랜지부와 상기 제2플랜지부는 상기 케이스의 대향하는 측면으로 절곡되며, 상기 음극단자는 상기 제1플랜지부의 측면으로 절곡되며, 그리고, 상기 양극단자는 상기 제2플랜지부의 측면으로 절곡되어 형성되며, 인접하는 각각의 상기 리튬 이차전지는, 상기 음극단자와 상기 양극단자가 직접 접촉하여 판상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지 모듈을 제공한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 리튬이차전지 및 리튬 이차 전지 모듈을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도4를 참조하면, 본 발명에 따른 일 실시예로서 리튬 이차전지(100)는 전극 조립체(118)와 파우치형의 전지 케이스(114)를 구비한다.

상기 전극 조립체(118)는 전극 활물질층이 형성된 전극판 즉, 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 구조를 가진다. 이러한 전극 조립체는 양극판/세퍼레이터/음극판의 구조를 가지는 모노셀구조가 복수개 적층되어 형성될 수도 있으며, 양극판/세퍼레이터/음극판/세퍼레이터/양극판의 구조를 가지는 바이셀구조가 복수개 적층되어 형성될 수도 있다.

각각의 양극판의 일측에는 양극탭(121)이 양극 집전체의 일부가 연장되거나 또는 용접되어 형성되며, 상기 양극판에 대향하는 각각의 음극판의 측면에는 음극탭(120)이 음극 집전체의 일부가 연장되어 형성되거나 또는 용접되어 형성된다.

이와 같은 전극조립체의 보다 상세한 제조방법으로서 그 일예로서 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

양극판(126)은 펀치드 메탈 또는 익스펜디드 메탈 등 소정 형상을 가지는 알류미늄의 양극집전체(124)를 준비하고(도 5a), 그 일면 또는 양면에 양극활물질층(125)을 형성한다(도 5b). 이때, 양극활물질층(125)은 소정의 양극활물질 슬러리를 양극집전체(124)상에 직접 코팅하여 형성할 수도 있으며, 양극활물질슬러리를 PET필름등에 도포하고 건조하여 형성된 양극시트를 만들고 이를 양극집전체(124)상에 열과 압력으로 라미네이팅하여 형성할 수도 있다. 양극집전체(124)의 가장자리부에는 양극탭을 형성하기 위하여 여분의 자리를 남겨놓고 양극활물질층(125)을 형성한다.

그 다음에, 양극집전체(124)의 가장자리를 펀칭하여 소정의 간격으로 복수개의 양극탭(121)을 형성한다(도 5c).

그 다음에, 이를 소정의 크기로 절단하면(도 5d) 하나의 단위 양극판(126)이 형성된다.

음극판의 제조에 있어서는, 도 5a 내지 도 5d에 도시된 과정에 따라, 음극집전체로서 구리를 사용하고, 소정의 음극활물질층을 상기 음극집전체상에 형성하면 하나의 단위 음극판이 제조될 수 있다.

도 5e를 참조하면, 이와 같이 제조된 음극판(127)과 양극판(126) 사이에 소정의 세퍼레이터(128)를 개재시킨 상태에서 열과 압력에 가하면서 라미네이팅을 행하면 모노셀구조의 전극조립체 또는 바이셀구조의 전극조립체가 제조될 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 음극탭(120)들과 상기 양극탭(121)들을 하부 케이스(114)의 내측면에 밀착될 수 있는 형상으로 절곡하고, 이들을 각각 양극단자(123) 및 음극단자(122)에 용접한다.

이와 같은 일방법에 의하면, 양극단자(123) 및 음극단자(122)와 연결된 전극조립체가 제조될 수 있다. 여기서, 양극단자(123)와 음극단자(122)가 서로 대향하는 측면에서 서로 대각선 방향으로 배치되고 있는 것을 도시하고 있으나 이는 예시적인 것이며 따라서, 후술하는 바와 같은 판상의 리튬이차전지를 형성하기 위하여 양극 단자와 음극단자의 위치를 자유롭게 변화시켜 배치할 수 있다.

케이스(110)는 전극조립체(118)가 삽입되는 수납부(112)가 마련된 하부케이스(114)와 이를 밀폐하기 위한 커버(116)를 구비한다.

하부케이스(114)와 커버(116)는 각각 알루미늄박막의 상/하면에 열접착성 물질이 상호 접착되어 있는 다층막의 단면 구조를 가진다. 그리고, 후술하는 케이스 의 밀봉은 소정의 열과 압력을 가하여 열접착성 물질이 상호 접착되도록 하여 행한다.

열접착성 물질이 형성되어 있는 다층막구조의 일예로서 상기 케이스는, 폴리 에칠렌층(PE/Poly ethylene layer;116a)/알루미늄층(116b)/폴리에칠렌 테레프잘레이트층(Polyethylene Terephthalate layer;116c)이 순차적으로 형성될수 있다.

다층막 구조의 다른 예로서, 도 4를 참조하면, 상기 케이스는 폴리에칠렌 아크릴산 공중합체층(PEAA/Polyethylene-co-acrylic acid layer;116a)/폴리에칠렌층(116b)/알루미늄층(116c)/나일론층(Ny/Nylon layer;116d)이 순차적으로 형성되는 것이 접합면의 접착력 또는 강도적인 측면에서 바람직하다.

이러한 하부 케이스(114)의 수납부(112)에 전극조립체(118)가 삽입된 다음에, 전해액이 주입되고, 하부케이스(114)의 제1의 접합부(112)와 커버(116)의 제2의 접합부(115)가 열융착되면 리튬이차전지(100)가 밀봉되어진다.

도 6은 밀봉된 후의 도 4의 리튬이차전지의 사시도이며, 도 7은 플랜지부가 절곡된 후의 리튬이차전지의 사시도를 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 전극조립체의 양극단자(123)와 음극단자(122)는, 제1플랜지부(150a)와 제2플랜지부(150b)를 통하여 하부케이스(114)와 커버(116)사이에서 밀봉된 상태로 리튬이차전지(100)의 외부로 노출된다. 여기서, 양극단자(123) 및 음극단자(122)의 외부로 노출된 길이는 절곡되는 제1플랜지부(150a) 및 제2플랜지부(150b)의 측면 길이와 같게 되도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 리튬이차전지(100)를 다수개 직렬연결하여 리튬이차전지 모듈을 형성하기 위하여 리튬이차전지(100)의 제1플랜지부(150a) 및 제2플랜지부(150b)를 a-a'선 및 b-b'선에 따라 절곡한다.

도 7을 참조하면, 리튬이차전지(100)의 제1플랜지부(150a)와 제2플랜지부(150b)를 각각 케이스의 측면을 절곡한 후, 양극단자(123)와 음극단자(122)를 다시 절곡된 제1플랜지부(150a)와 제2플랜지부(150b)의 측면을 따라 절곡한다. 여기서, 양극단자(123)와 음극단자(122)가 각각 상기 절곡된 제1플랜지부(150a) 및 제2플랜지부(150b)의 측면에 밀착되도록 하기 위하여 소정의 열과 압력을 가하면서 절곡하는 것이 바람직하다.

도 8은 리튬이차전지(100)가 다수개 직렬연결되어 하나의 리튬 이차전지 모듈을 형성하는 것을 도시한 것이다.

도 8을 참조하면, 하나의 리튬이차전지(100)를 직렬하기 위하여 양극단자(123)와 음극단자(122)가 서로 연결되도록 각각의 리튬이차전지를 배치하면 판상의 리튬 이차전지 모듈(200)을 조립할 수 있다. 이러한, 리튬이차전지 모듈(200)은, 모듈케이스(미도시) 등에 삽입하고, 자동차등의 바닥면에 탑재하여 사용하거나, 또는 필요에 따라 소정의 리튬이차전지모듈(200)을 복수개 겹쳐 사용하면 전기 자동차(electrical vehicle: EV)용 리튬이차전지 팩을 형성할 수가 있게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 리튬이차전지에 의하면, 열융착된 부분을 따라 넓 은 플랜지부를 절곡하고 있기 때문에, 전극 부피가 감소하고, 데드 볼륨이 감소하며, 따라서, 단위 부피당 에너지 밀도가 증가하게 된다. 또한, 전극단자가 케이스의 외부로 수직하게 돌출되지 않으므로, 미관상 바람직하고, 화성공정시 탭을 일일이 잭에 물려야 하는 번거로움이 제거되며, 작업이 연속적으로 이루어질 수 있게 되어 생산성이 향상된다.

더욱이, 본 발명에 따른 리튬이차전지 모듈에서, 전극단자 상호간 직접 접촉하여 연결되고 있으므로, 전극단자와 모튤 케이스의 사이에는 공간이 불필요하게 된다. 나아가, 리튬이차전지 모듈이 평판형으로 형성되므로 열전달 면적이 증대하여 리튬 이차전지 내부에서 발생하는 열을 쉽게 방출할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극조립체와; 상기 전극조립체를 삽입하는 수납부와, 상기 음극단자가 외부로 노출되는 제1플랜지부와 상기 양극 단자가 외부로 노출되는 제2플랜지부를 구비하여 상기 전극 조립체를 밀봉하는 플랜지부를 구비하는 소정 형상의 케이스;를 구비하는 리튬 이차전지에 있어서,

   상기 제1플랜지부와 상기 제2플랜지부는 상기 케이스의 대향하는 측면으로 절곡되며, 상기 음극단자는 상기 제1플랜지부의 측면으로 절곡되며, 그리고, 상기 양극단자는 상기 제2플랜지부의 측면으로 절곡되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
2. 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극조립체와; 상기 전극조립체를 삽입하는 수납부와, 상기 음극단자가 외부로 노출되는 제1플랜지부와 상기 양극 단자가 외부로 노출되는 제2플랜지부를 구비하여 상기 전극 조립체를 밀봉하는 플랜지부를 구비하는 소정 형상의 케이스;를 구비하는 리튬 이차전지가 복수개 직렬연결되어 형성되는 리튬 이차전지 모듈에 있어서,

   상기 리튬 이차전지는, 상기 제1플랜지부와 상기 제2플랜지부는 상기 케이스의 대향하는 측면으로 절곡되며, 상기 음극단자는 상기 제1플랜지부의 측면으로 절곡되며, 그리고, 상기 양극단자는 상기 제2플랜지부의 측면으로 절곡되어 형성되며,

   인접하는 각각의 상기 리튬 이차전지는, 상기 음극단자와 상기 양극단자가 직접 접촉하여 판상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지 모듈.

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