KR100670472B1 - 수지 몰드형 이차전지 및 그 형성 방법 - Google Patents

Abstract

두 전극과 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체가 내장되는 파우치를 포함하여 이루어지는 베어 셀에, 보호회로를 포함하는 안전장치가 결합된 상태에서, 베어 셀과 보호회로가 모두 수지 몰드로 피복되어 형성됨을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차 전지가 개시된다.

따라서, 파우치형 베어 셀을 이용하여 이차 전지 상품을 형성함에 있어서, 파우치의 외관를 충분히 보호하면서도 이차 전지의 크기를 줄일 수 있고, 하드 팩 부품의 생산과 조립에 의한 공정 시간과 비용을 절약할 수 있다.

Description

수지 몰드형 이차전지 및 그 형성 방법 {Pouch type lithium secondary battery}

도1은 파우치형 리튬 이차 전지의 일 예에서 파우치가 밀봉되기 전의 상태를 나타내는 사시도,

도2a 및 도2b는 본 발명을 형성하는 과정에서 코어 팩 전지 가운데 전극 탭 및 보호 회로 기판의 결합 상태를 나타내는 도면들,

도3은 도2와 달리 보호회로 기판에 외부 입출력 단자가 형성된 터미널 어셈블리를 장착한 형태를 나타내는 사시도,

도4는 보호회로 기판이 설치된 파우치의 측부인 프랜지 부분 혹은 융착부를 접고 그 위로 테이핑을 실시한 상태를 나타내는 사시도,

도5는 도4의 상태에서 전체를 몰드에 넣고 수지 몰드로 피복한 상태를 나타내는 투시 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 파우치 상부 11: 열접착층

12: 금속막 20: 파우치 하부

21: 홈 23: 가장자리부

30: 전극 조립체 31,35: 양,음극

33: 세퍼레이터 37,38: 탭

39: 테이프 42: 용접부

44: 스페이서 52,62: 외부 입출력 단자

50: 보호회로 기판 60:터미널 어셈블리

70: 시트 80: 수지(수지층)

100: 파우치 200: 수지 몰드형 이차전지

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수지 몰드형 이차 전지 및 그 형성 방법에 관한 것이다.

이차 전지는 충전과 방전을 거듭하며 반복 사용할 수 있으므로 일회용인 건전지 등에 비해 경제적이며, 근래에는 적은 부피에 고용량을 구현할 수 있게 되면서 셀룰러폰, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등 휴대용 전기 전자 기기의 전원으로 많이 사용된다.

이런 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지. 니켈-메탈 하이드라이드(Ni-MH) 전지, 리튬 이차 전지 등이 개발, 사용되고 있다. 전지에는 양극과 음극 및 전해질이 필수적으로 구비된다. 전지의 출력을 높이기 위해 전극의 면적을 넓게 하려면, 우선 전해질과 닿는 전극을 넓게 형성하고, 세퍼레이터를 개재하여 두 전극 사이의 단락을 방지하게 된다.

이들 이차 전지는 대개 캔형으로 형성된다. 캔은 통상 금속으로 형성된다. 원통형 혹은 직육면체형의 캔 일측면은 통상 개방된 상태로 형성된다. 이 개방된 부분을 통해 캔 내부에 전극 조립체 및 전해질을 넣고, 그 개방된 면에 해당하는 크기와 형상을 가진 캡 조립체로 캔을 마감하여 밀봉된 베어 셀을 형성한다.

한편, 리튬 이차 전지는 리튬과 수분의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 이 전해질은 리튬염을 함유하는 고체 폴리머의 형태가 될 수 있고, 리튬염이 유기 용매에서 해리된 액상이거나, 액상의 전해질이 세퍼레이터에 함침된 형태일 수 있다. 특히, 세퍼레이터 역할을 동시에 하는 고체 폴리머 전해질이나 세퍼레이터에 함침된 전해질을 사용할 경우 누액의 위험이 적으므로 전극 조립체 및 전해질의 용기(case)로 파우치가 사용될 수 있다.

파우치는 주로 금속으로 이루어지는 캔에 비해 가볍고, 부피도 덜 차지하며, 전지의 형상이나 기기 내 설치 방법에서 융통성을 가질 수 있다는 점에서 이차 전지의 용기로서 유리하다.

파우치형 이차 전지에서는 파우치에 전극 조립체를 넣고 밀봉하면서 전극에 연결된 탭을 이용하여 파우치 내부의 전극과 외부를 잇는 전기 통로를 확보하게 된다. 파우치 밀봉이 이루어져 형성된 베어 셀(bare cell)에는 탭을 이용하여 보호 회로 기판(PCM:protecting circuit moudule)이나 PTC(positive temperature coefficient)같은 부속품 혹은 구조체가 연결되어 코어 팩(core pack)이 형성된다.

코어 팩을 하드 케이스에 내장하여 결합시키면 완성된 하드 팩 전지가 형성된다. 하드 케이스는 내측에 별도의 회로나 도체부 없이 폴리프로필렌 수지 등을 이용하여 형성할 수 있으나, 전지가 사용되는 기기의 특성에 따라 하드 케이스 내부에 별도의 부속 회로나 다른 도체부를 가지는 경우가 있다.

그런데, 종래의 하드 케이스는 대개 전지의 가장 넓은 면 방향으로 상부와 하부가 분리 형성된다. 따라서, 하부 케이스에 코어 팩을 장착하고, 코어 팩이 장착된 하부 케이스에 상부 케이스를 결합시켜 하드 팩 상태의 전지를 형성하게 된다. 이렇게 부품이 나뉘어지면 이들을 결합시키는 공정이 필요하므로 그에 대한 비용 상승가능성이 커진다.

또한, 하드 케이스는 파우치 형태의 베어 셀에 대한 외관 보호를 목적으로 하는데, 종래에는 하드 케이스를 사출 형성할 경우, 사출물의 두께가 가령 0.6mm 정도로 두꺼워 최종적인 전지 상품이 커지는 문제가 있다. 이렇게 전지가 커질 경우, 전지를 장착하는 전기 기기의 디자인을 제약하는 요인이 되어 수요자의 다양한 요구에 부합하기 어렵다는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 파우치형 베어 셀을 이용하여 이차전지 상품을 형성함에 있어서, 파우치의 외관를 충분히 보호하면서도 이차 전지의 크기를 줄일 수 있는 수지 몰드형 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 코어 팩 상태의 전지를 하드 팩 상태의 전지로 형성함에 있어서 하드 팩 부품의 생산과 조립에 의한 공정 시간과 비용을 절약할 수 있는 수지 몰드형 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수지 몰드형 이차전지는,

두 전극과 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체가 내장되는 파우치를 포함하여 이루어지는 베어 셀에, 보호회로를 포함하는 안전장치가 결합된 상태에서, 수지 몰드로 피복되어 형성됨을 특징으로 한다.

본 발명에서 수지는 폴리올레핀계 수지층, 폴리에스테르계 수지층, 폴리아미드, 폴리우레탄 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서 안전장치는 회로기판 형태로 단일 부품으로 이루어지는 것이 바람직하다. 회로기판 자체에 수지 몰딩 후에도 외부에 드러나는 외부 입출력 단자가 형성될 수도 있으나, 회로 기판에 형성된 별도의 접속단자에 용접 등의 방법으로 연결된 터미널 어셈블리가 존재하고, 터미널 어셈블리 일부에 외부 입출력 단자가 형성될 수도 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수지 몰드형 이차전지 형성방법은 파우치형 베어 셀을 형성하는 단계, 상기 베어 셀에 보호회로 기판을 포함하는 안전 장치를 부착하는 단계, 안전장치가 부착된 베어 셀을 몰드에 놓고 용융수지를 부어 수지 피복을 형성하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명 방법에서 베어 셀을 형성하는 단계 혹은 안전 장치를 부착하는 단계에 이어 별도의 부재로 파우치의 일정 부분을 감싸거나 안전 장치를 가고정시키는 단계가 더 구비될 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도1은 파우치형 리튬 이차 전지의 일 예에서 파우치가 밀봉되기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.

도1을 참조하여 파우치형 리튬 이차 전지의 일반적 형성 방법을 살펴보면, 우선, 전극 조립체가 수용될 홈(21)이 형성되는 파우치의 하부(20)와 홈(21)을 덮게 되는 파우치 상부(10)를 형성한다. 홈(21)은 프레스(press) 가공 등을 통해 형성된다. 파우치의 형태에 따라서는 홈이 형성되지 않는 경우도 있다. 홈 형성을 위한 프레스 가공을 할 때 전극 조립체(30)가 수용되는 홈 외에 디개싱(degassing) 작업을 위한 가스방용 홈(미도시)이 더 형성될 수 있다.

통상의 전극 조립체(30)는 양극(31), 세퍼레이터(33), 음극(35)의 순서로 적층된 다층막을 와형으로 권취하여 젤리 롤(Jelly Roll)로 형성한다. 젤리 롤을 권취 형성할 때 양극과 음극의 단락을 막기 위해 롤(roll)의 외부로 드러나는 전극면에는 세퍼레이터가 덧붙여진다. 젤리 롤이 파우치의 하부 홈(21)에 놓여지면, 가장자리부(23)를 밀착시킨 상태에서 플랜지 형태로 홈 부분에서 외측으로 돌출되는 가장자리부(23)를 가열 가압하여 파우치 밀봉을 실시한다.

전극 조립체(30)의 양극(31)과 음극(35)을 파우치 외부와 전기적으로 연결하기 위해 양극(31) 및 음극(35)의 일 측에는 전극 탭(37,38)이 형성된다. 이들 전극 탭(37,38)은 젤리 롤이 권취되는 방향과 수직 방향으로 젤리 롤에서 돌출되도록 형성되고, 파우치막의 밀봉되는 한 변을 통해 파우치를 통과하여 인출된다.

파우치막은 통상 복수의 기능막들로 이루어진다. 3층으로 이루어지는 파우치 막에서 중간층 금속막(13)은 통상 알미늄으로 형성된다. 파우치막 내층을 이루는 열접착층(11)은 통상 CPP(Casted Polypropylene)층과 같은 열접착성 물질로 이루어지며, 전해질로부터 금속 포일을 보호함과 아울러, 양극과 음극, 그리고 전극 리드들 사이의 단락(短絡)을 방지한다. 외층막은 통상 나일론 등 기계적으로 높은 강도를 가지며 내부를 보호할 수 있는 막으로 형성된다.

파우치에서 융착이 이루어진 플랜지 부분 가운데 전극 탭이 인출되지 않는 양 측부는 단부가 절연 테이프로 감싸지고 접쳐져서 홈을 이루는 파우치의 측벽에 밀착되게 한다. 또한, 이 단계에서 양 측부인 플랜지 부분은 홈을 이루는 파우치 측벽에 테이프 등으로 밀착될 수 있다.

도2a 및 도2b는 본 발명을 형성하는 과정에서 코어 팩 전지 가운데 전극 탭 및 보호 회로 기판의 결합 상태를 나타내는 도면들이다.

도2a를 참조하면, 전극 탭(37)이 한번 접혀 보호회로 기판(50)이 거꾸로 위치하고 있으며, 역위의 보호회로 기판(50) 상면과 전극 탭(37)의 전기 단락을 방지하기 위한 절연체 스페이서(44)가 개재되어 있다. 전극 탭(37)과 보호회로 기판(50)의 단자 사이에는 용접부(42)나 솔더링에 의한 접속이 이루어진다.

도2b를 참조하면, 전극 탭(37)가 두번 접혀 있다. 전극 탭(37)과 보호회로 기판(50)의 단자 사이에는 용접부(42)가 있다.

이들 예에서 보호회로 기판(50)이나 전극 탭(37)의 두께는 전극 조립체의 두께 혹은 전극 조립체를 포함한 파우치의 두께에 비해 작은 상태이다. 보호회로 기판(50)에 직접 외부 입출력 단자(52)를 형성하고 이후의 몰딩에 의해 수지로 피복 될 때 이 단자가 밖으로 드러날 수 있도록 할 경우라면 파우치면과 비교할 때 적절한 높이에 있도록 수지 몰딩에 앞서 조절할 필요가 있다. 따라서 보호회로 기판과 전극 탭 사이에 혹은 접혀진 전극 탭 사이에 스페이서(44)를 설치하는 방법을 사용할 수 있다.

한편, 스페이서(44)는 반드시 외부 입출력 단자(52)를 밖으로 드러내는 외에 자체가 변형되기 쉬운 탭(37)과 보호회로 기판(50) 사이에서 테이프 등과 함께 혹은 자체만으로 변형을 억제하고 일정한 상호 위치를 확보하는 역할도 할 수 있다.

도3은 도2와 달리 보호회로 기판에 외부 입출력 단자가 형성된 터미널 어셈블리를 장착한 형태를 나타내는 사시도이다.

도3에 따르면 탭과 보호회로 기판(50)의 두께 및 위치, 터미널 어셈블리(60)의 크기 및 위치를 조절하여 수지 피복 후에 터미널 어셈블리(60)에 형성된 외부 입출력 단자(62)가 수지로 덮이지 않고 외부에 드러나도록 한다. 물론 외부 입출력 단자(62)를 드러나도록 하기 위해서는 외부 입출력 단자의 높인만 조절하는 외에 몰드에 외부 입출력 단자(62) 표면과 밀착되어 외부 입출력 단자 위에 수지가 피복되지 않도록 하는 부분이 필요할 수 있다.

도4는 보호회로 기판이 설치된 파우치의 측부인 프랜지 부분 혹은 융착부를 접고 그 위로 테이핑을 실시한 상태를 나타내는 도면이다.

이러한 테이핑 작업은 연질의 필름 혹은 시트(sheet:70)로 이루어져 가변적이고 변형이 쉬운 부분을 비교적 일정한 형태인 전극 조립체에 따르는 홈 부분에 밀착시켜 전체 파우치(100)를 안정적이고 적은 부피를 가진 콘팩트한 형태로 만들 기 위한 것이다.

테이핑에 사용되는 부재는 테이핑에 의한 전지의 부피의 증가를 최소화하도록 얇은 재질을 사용하고, 필요한 부분에 한정하는 것이 바람직하다. 도2a 및 도2b의 설명에서 언급된 스페이서를 장착하는 작업도 테이핑 단계에서 함께 이루어질 수 있다.

도5는 보호회로 기판이 부착된 파우치(100)를 몰드에 위치시키고 핫 멜트 수지를 몰드 내의 공간으로 부어넣어 외관을 완성한 수지 몰드형 이차전지(200)를 나타내는 사시도이다.

비록 파우치가 테이핑이나 스페이서 설치 작업을 통해 안정된 크기와 외형을 가지는 경우에도 캔과 같은 정형적인 외관을 갖지 않으므로 몰드에는 파우치를 고정하기 위한 핀 등이 설치될 수 있다. 수지 몰딩 작업은 캔형 이차 전지에서 베어 셀과 보호회로 기판을 고정하는 방법으로 흔히 사용되므로 구체적인 언급은 생략한다.

몰딩 과정을 통해 파우치 및 보호회로 기판 사이의 공간들은 수지(80)로 채워지고 이들의 표면도 수지(80)로 피복된다. 수지 피복은 전면에 걸쳐 이루어진다. 수지(80)와 파우치 및 보호회로 기판 사이의 부착력을 높이기 위해 파우치 외층, 및 수지의 종류는 적절히 선택될 수 있다. 도4와 같은 테이프나 시트(70)가 있을 경우, 테이프를 적절한 재질로 선택할 경우, 테이프는 수지(80)와 파우치 부분의 밀착을 위해서도 이용될 수 있다.

본 발명에서 테이프나, 파우치 외층 등은 폴리머 소재가 통상 사용되어 몰딩 수지와 접착력에 문제가 없더라도 탭이나 보호회로 기판에는 접착력이 약해질 수 있으므로 이들 부위를 딥(dip)이나 스프레이 등으로 접착 완충층으로 먼저 처리하고 수지 몰딩을 실시할 수도 있다. 접착 완충층은 고접착성 물질층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 고접착성 물질층은 안전 장치를 이루는 금속 부분, 탭 등과 높은 접착력을 유지할 수 있는 에폭시 수지, 기타 접착제 성분으로 이루어질 수 있다.

충진 및 피복을 위한 핫 멜트 수지로는 폴리올레핀계 수지층, 폴리에스테르계 수지층, 폴리아미드, 폴리우레탄 등을 사용할 수 있다.

폴리올레핀계 수지로는 폴리프로필렌, 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체 등이 사용될 수 있고, 폴리에스테르계 수지로는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르공중합체 및 폴리카보네이트 등이 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 하드 팩 전지의 하드 케이스 두께를 줄이는 효과를 가져 전지 전체를 두께를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 하드 케이스를 상부와 하부로 나누어 제작하고, 이들과 코어 팩 전지를 조립함에 따르는 공정 시간과 비용을 절약할 수 있고, 후 가공이 줄어들면서 후가공시 발생하는 불량들을 회피하여 불량률을 낮출 수 있다.

또한, 외장을 일체적으로 수지로 피복하여 매끈하고 미려하게 할 수 있고, 수지에 직접 인쇄를 할 경우, 별도의 포장 테이프를 사용하지 않는 효과를 가질 수 있다.

Claims (15)

1. 두 전극과 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체가 내장되는 파우치를 포함하여 이루어지는 베어 셀에,

   보호회로를 포함하는 안전장치가 결합되고,

   상기 베어 셀과 상기 안전장치가, 외부 기기와의 접속 단자를 제외하고 전체적으로 외형을 이루는 수지 몰드로 피복되어 형성됨을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지는 폴리올레핀계 수지층, 폴리에스테르계 수지층, 폴리아미드, 폴리우레탄 가운데 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 폴리올레핀계 수지로는 폴리프로필렌, 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체, 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체 가운데 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 폴리에스테르계 수지로는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프 탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르공중합체, 폴리카보네이트 가운데 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 안전장치는 회로기판 형태로 단일 부품으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 회로기판 자체에 외부 입출력 단자가 형성됨을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 안전장치에는 별도 부품으로 터미널 어셈블리가 연결되고, 상기 터미널 어셈블리에 외부 입출력 단자가 형성됨을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 베어 셀 내의 전극과 과 상기 안전 장치의 보호회로를 연결하는 탭과 상기 안전 장치 사이 또는 절곡된 상기 탭 부분에 스페이서가 부착되는 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서,

   적어도 상기 보호회로 기판 혹은 상기 베어 셀에서 인출되는 탭은 상기 수지 몰드와의 경계면에 접착 완충층을 가지는 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 접착 완충층은 에폭시 수지를 포함하는 접착성 물질들 가운데 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 베어 셀의 파우치 적어도 일부에는 상기 수지 몰드와의 경계면에 접착부재가 부착된 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지.
12. 파우치형 베어 셀을 형성하는 단계,

    상기 베어 셀에 보호회로 기판을 포함하는 안전 장치를 부착하는 단계,

    상기 안전장치가 부착된 베어 셀을 몰드에 놓고 용융 수지를 부어 외형을 이루는 수지 피복을 형성하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지 형성 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 베어 셀을 형성하는 단계 또는 상기 안전 장치를 부착하는 단계 후,

    상기 수지 피복을 형성하는 단계 전에,

    별도의 부재로 상기 베어 셀을 이루는 파우치의 일정 부분을 감싸는 단계를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지 형성 방법.
14. 제 12 항에 있어서,

    상기 베어 셀을 형성하는 단계 또는 상기 안전 장치를 부착하는 단계 후,

    상기 수지 피복을 형성하는 단계 전에,

    별도의 부재로 상기 안전 장치와 상기 베어 셀 및 상기 베어 셀에서 인출되는 탭과의 상대적 위치를 가고정시키는 단계를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지 형성 방법.
15. 제 12 항에 있어서,

    상기 안전 장치를 부착하는 단계에는

    상기 안전장치에 별도 부품으로 외부 입출력 단자가 형성된 터미널 어셈블리가 연결되는 단계가 구비되는 것을 특징으로 하는 수지 몰드형 이차전지 형성 방법.

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