KR100686802B1 - 전지 팩 케이스, 파우치형 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상부 케이스 및 하부 케이스가 슬라이딩 구조로 결합되어 전지 팩 케이스 결합이 간단하며, 하부 케이스에 고강도 재질을 사용할 수 있어 안정성이 향상된 전지 팩 케이스, 파우치형 리튬 이차 전지와 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 전지 팩 케이스는 파우치 코어 팩을 수용하는 공간을 구비하는 상부 케이스와; 상기 상부 케이스를 커버하는 하부 케이스와; 상기 상부 케이스 및 하부 케이스에 형성된 슬라이딩 결합 수단을 구비하는 구조로 이루어진다.
파우치형 리튬 이차 전지, 전지 팩 케이스, 슬라이딩 결합 수단

Description

전지 팩 케이스, 파우치형 리튬 이차 전지{Battery Pack Case, Pouch-type Li Secondary Battery with the Pack Case}
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 파우치 외장재가 밀봉되기 전의 상태를 도시한 사시도.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 보호 회로 모듈이 부착된 후, 전지 팩 케이스를 조립하기 전 상태를 도시한 사시도.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 전지 팩 케이스의 상부 케이스를 설명하기 위한 사시도.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 전지 팩 케이스의 하부 케이스를 설명하기 위한 사시도.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100; 파우치형 리튬 이차 전지 110; 전극 조립체
111; 제 1 전극판 112; 제 2 전극판
113; 세퍼레이터 114; 제 1 전극 탭
115; 제 2 전극 탭 116; 절연 테이프
120; 파우치 외장재 121; 하면
121a; 공간 122; 상면
123; 접합부 130; 보호 회로 기판
141; 상부 케이스 145; 하부 케이스
147a, 147b; 슬라이딩 결합 수단
본 발명은 전지 팩 케이스, 파우치형 리튬 이차 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상부 케이스 및 하부 케이스가 슬라이딩 구조로 결합되어 전지 팩 케이스 결합이 간단하며, 하부 케이스에 고강도 재질을 사용할 수 있어 안정성이 향상된 전지 팩 케이스, 파우치형 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로 상기 리튬 이차 전지 중 상기 파우치형 리튬 이차 전지는 파우치 외장재가 통상 금속 포일층과 이를 덮는 합성 수지층의 다층막으로 구성되는데 이를 사용할 경우에는 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형 리튬 이차 전지보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어, 리튬 이차 전지의 경량화는 파우치형 리튬 이차 전지 방향으로 발전하여 왔다.
통상적으로, 상기한 파우치형 리튬 이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 공간을 구비하는 파우치 외장재의 하면에 전극 조립체를 수용한 후, 파우치 외장재의 상면을 이용하여 상기 하면을 덮은 후, 밀봉하여 파우치 베어 셀(bare cell)을 형성하고, 상기 파우치 베어 셀에 보호 회로 모듈과 같은 부속품을 부착하여 파우치 코어 팩(core pack)을 형성한다.
그런 다음, 상부 케이스 및 하부 케이스를 구비하는 전지 팩 케이스에 상기 파우치 코어 팩을 수용하고, 상기 상부 케이스와 하부 케이스를 결합한 후, 초음파 용접을 통하여 상기 상부 케이스 및 하부 케이스를 접합하여 파우치형 리튬 이차 전지를 형성한다. 이때, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스는 일반적으로 플라스틱 등의 수지로 이루어진다. 또한, 상기 상부 케이스는 상기 파우치 코어 팩을 수용하는 공간을 구비하며, 상기 하부 케이스는 상기 상부 케이스를 커버하며, 전기/전자 장치와 대응한다.
그러나, 상기한 바와 같은 전지 팩 케이스를 구비하는 파우치형 리튬 이차 전지는 상부 케이스와 하부 케이스를 초음파 용접을 통하여 접합함으로써, 공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 전기/전자장치와 대응하는 상기 하부 케이스가 일반적으로 상기 상부 케이스보다 매우 얇게 형성되어 외부 환경에 취약한 문제점이 있다. 특히, 뾰족한 물체의 찌름 등에 매우 취약하여 파우치형 리튬 이차 전지의 파열의 우려가 있으며, 이로 인한 파우치형 리튬 이차 전지의 안전성이 취약해지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 상부 케이스 및 하부 케이스가 슬라이딩 구조로 결합되어 전지 팩 케이스 결합이 간단하며, 하부 케이스에 고강도 재질을 사용할 수 있어 안정성이 향상된 전지 팩 케이스, 파우치형 리튬 이차 전지와 이의 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전지 팩 케이스는 파우치 코어 팩을 수용하는 공간을 구비하는 상부 케이스와; 상기 상부 케이스를 커버하는 하부 케이스와; 상기 상부 케이스 및 하부 케이스에 형성된 슬라이딩 결합 수단을 구비하는 구조로 이루어진다.
또한, 본 발명의 파우치형 리튬 이차 전지는 파우치 베어 셀에 보호 회로 모듈이 부착된 파우치 코어 팩과; 상기 파우치 코어 팩을 수용하며, 슬라이딩 결합 수단을 통하여 결합되는 상부 케이스 및 외부 케이스를 구비하는 전지 팩 케이스를 포함하는 구조로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 슬라이딩 결합 수단은 가이드 돌기와 가이드 홈으로 이루어진다. 이때, 바람직하게는 상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중 어느 하나는 가이드 돌기를 구비하며, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중 다른 하나는 가이드 홈을 구비한다.
상기 상부 케이스 및 하부 케이스 분리 방지 수단을 더 구비할 수도 있다.
상기 상부 케이스 및 하부 케이스는 이종의 물질로 이루어질 수 있으며, 이때, 상기 하부 케이스는 고강도 스틸 또는 고강도 복합 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 파우치 코어 팩을 형성하는 단계와; 상기 파우치 코어 팩을 수용하기 위한 공간을 구비하며, 가이드 돌기 및 가이드 홈으로 이루어지는 슬라이딩 결합 수단 중 어느 하나를 구비하는 상부 케이스에 상기 파우치 코어 팩을 수용 하는 단계와; 상기 가이드 돌기 및 가이드 홈으로 이루어지는 슬라이딩 결합 수단 중 다른 하나를 구비하는 하부 케이스를 이용하여 상기 상부 케이스를 커버하는 단계를 포함하는 파우치형 리튬 이차 전지의 제조 방법을 포함한다.
상기 상부 케이스 및 하부 케이스를 초음파 용접하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 파우치 외장재가 밀봉되기 전의 상태를 도시한 사시도이며, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 보호 회로 모듈이 부착된 후, 전지 팩 케이스를 조립하기 전 상태를 도시한 사시도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지는 충ㆍ방전 시 전압차를 발생시키는 전극 조립체(110)와, 상기 전극 조립체(110)를 수용하는 파우치 외장재(120)와, 상기 전극 조립체(110)의 충ㆍ방전을 제어하기 위한 보호 회로 모듈(130)과, 상기 파우치형 리튬 이차 전지가 전기/전자 장치에 결합되도록 하는 전지 팩 케이스(140)를 포함하는 구조로 이루어진다.
상기한 바와 같은 파우치형 리튬 이차 전지는 하기와 같은 공정을 통하여 제조된다.
우선, 전극 조립체(110)를 준비한다.
이때, 상기 전극 조립체(110)는 양극 활물질 및 음극 활물질 중 어느 하나, 예를 들면, 양극 활물질이 코팅된 제 1 전극판(111)과, 양극 활물질 및 음극 활물 질 중 다른 하나, 예를 들면, 음극 활물질이 코팅된 제 2 전극판(112)과, 상기 제 1 전극판(111) 및 제 2 전극판(112) 사이에 위치하여 상기 제 1 전극판(111)과 제 2 전극판(112)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(113)가 권취되 형태로 이루어진다. 또한, 상기 제 1 전극판(111)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출되어 양극 탭으로 작용하는 제 1 전극 탭(114)이 접합되어 있다. 상기 제 2 전극판(112)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출되어 음극 탭으로 작용하는 제 2 전극 탭(115)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 전극 탭(114) 및 제 2 전극 탭(115)과 상기 파우치 외장재(120) 사이의 단락을 방지하기 위한 절연 테이프(116)를 더 구비할 수도 있다.
이때, 상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 음극 활물질는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있다. 또한, 일반적으로 상기 양극 전극판은 알루미늄(Al) 재질, 음극 전극판은 구리(Cu) 재질을 사용하며, 상기 세퍼레이터는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
그런 다음, 파우치 외장재(120)를 준비한다. 이때, 상기 파우치 외장재(120)는 상기 전극 조립체(110)가 수용되는 공간(121a) 및 상기 공간(121a) 가장자리의 플랜지(121b)를 구비하는 하면(121)과, 상기 공간(121a)이 형성된 하면(121)을 커버하는 상면(122)으로 이루어진다. 또한, 상기 전극 조립체(110)를 수용하기 위한 공간(121a)은 프레스(press) 가공 등을 통하여 형성된다.
한편, 상기 전극 조립체(110) 및 파우치 외장재(120)를 준비하는 순서는 반드시 이에 한정되지는 않으며, 상기 파우치 외장재(120)를 준비한 후, 상기 전극 조립체(110)를 준비할 수도 있다.
상기 파우치 외장재(120)를 준비한 후, 상기 파우치 외장재(120) 하면(121)의 전극 조립체(110)를 수용하기 위한 공간(121a)에 상기 전극 조립체(110)를 수용시킨다. 이때, 상기 전극 조립체(110)는 상기 파우치 외장재(120) 하면(121)의 공간(121a)에 안착되며, 이렇게 안착되어진 상태에서 전극 조립체(110)의 제 1 전극 탭(114) 및 제 2 전극 탭(115)의 일부는 상기 파우치 외장재(120)의 외부로 돌출된다.
상기 전극 조립체(110)를 상기 파우치 외장재(120)의 공간(121a)에 수용한 후, 상면(122)을 접어 상기 하면(121) 공간(121a)의 가장자리와 맞닿도록 하고, 상기 하면(121) 및 상면(122)을 접합하여 밀봉하여 파우치 베어 셀(bare cell)을 형성한다. 이때, 상기 하면(121) 및 상면(122)이 맞닿아 접합ㆍ밀봉되는 부분은 접합부(123)로 작용한다.
상기 파우치 외장재(120)를 밀봉한 후, 상기 보호 회로 모듈(130)을 상기 전극 조립체(110)의 제 1 전극 탭(114) 및 제 2 전극 탭(115)과 전기적으로 연결시켜, 파우치 코어 팩(core pack)을 형성한다.
이때, 상기 보호 회로 모듈(130)은 상기 전극 조립체(110)의 제 1 전극 탭(114) 및 제 2 전극 탭(115)과 전기적으로 연결되어, 상기 전극 조립체(110)의 충ㆍ방전 및 오작동을 제어하기 위한 것으로, 예를 들면, 상기 전극 조립체(110)로부터 과 전류가 흘렀을 때, 상기 과전류를 차단하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 보호 회로 모듈(130)은 도면 상에는 도시하지 않았으나, 일반적으로 다양한 보호 회로를 구비하는 구조로 이루어진다.
상기 파우치 코어 팩을 형성한 후, 상기 파우치 코어 팩을 상기 전지 팩 케이스(141, 145)에 수용하여 파우치형 리튬 이차 전지를 형성한다.
이때, 상기 전지 팩 케이스(141, 145)는 상기 파우치형 리튬 이차 전지를 전기/전자 장치에 결합되도록 하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 전지 팩 케이스(141, 145)는 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)를 포함하며, 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)는 슬라이딩 결합 수단(147a, 147b)을 통하여 결합된다. 또한, 상기 상부 케이스(141)는 상기 파우치 코어 팩을 수용하기 위한 공간을 구비한다. 또한, 상기 하부 케이스(145)는 상기 상부 케이스(141)를 커버하며, 상기 전기/전자 장치에 대응하며, 상기 보호 회로 기판(130)이 외부 단자와 연결되도록 하는 창(145a, window)을 구비한다.
한편, 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 전지 팩 케이스의 상부 케이스를 설명하기 위한 사시도이며, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 전지 팩 케이스의 하부 케이스를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 전지 팩 케이스는 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)를 구비하며, 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)는 슬라이딩 결합 수단(147a, 147b)을 통하여 결합된다.
이때, 상기 슬라이딩 결합 수단(147a, 147b)은 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145) 중 어느 하나, 예를 들면, 상부 케이스(141)는 가이드 홈(147a)을 구비하며, 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145) 중 다른 하나, 예를 들면, 하부 케이스(145)는 가이드 돌기(147b)를 구비하여, 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)가 서로 미끄러지듯이 슬라이딩 작용을 통하여 결합되도록 한다.
보다 상세히 말하자면, 상기 파우치 코어 팩을 수용하기 위한 공간을 구비하는 상부 케이스(141)에 양면 테이프와 같은 접착제를 통하여 상기 파우치 코어 팩을 부착하여 수용한 후, 상기 하부 케이스(145)를 이용하여 상기 상부 케이스(141)를 커버하여 파우치형 리튬 이차 전지를 형성한다.
또한, 도면 상에는 도시되지 않았으나, 상기 슬리이딩 결합 수단(147a, 147b)을 통하여 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)를 결합한 후, 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)의 분리를 막기 위한 분리 방지 수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)를 슬라이딩 결합 수단(147a, 147b)을 통하여 결합한 후, 초음파 용접을 더 수행할 수도 있다. 이는 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145) 간의 결합력을 보다 강화하기 위함이다.
한편, 상기한 바와 같이, 상기 전지 팩 케이스가 슬라이딩 결합 수단(147a, 147b)을 통하여 결합되는 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)로 이루어지는 경우에는 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)를 이종의 물질로도 형성이 가능하다. 이는 별도의 접합 공정이 필요 없이, 상기 슬라이딩 결합 수단(147a, 147b)을 통하여 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)를 결합할 수 있기 때문이다.
또한, 상기한 바와 같이, 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)를 이종의 물질로 사용하는 경우, 상기 하부 케이스(145)에 고강도 물질을 사용함으로써, 상기 하부 케이스(145)의 외부 환경, 특히, 뾰족한 물체 등에 의한 찌름에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다. 이때, 상기 하부 케이스(145)에 사용되는 고강도 물질은 고강도 스틸, 고강도 복합 물질 및 이들의 등가물로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이의 물질을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 상기한 바와 같은 파우치형 리튬 이차 전지는 상기 상부 케이스(141) 및 하부 케이스(145)를 슬라이딩 결합 수단(147a, 147b)을 통하여 결합하므로, 파우치형 리튬 이차 전지의 제조를 보다 간단히 할 수 있다.
또한, 상기 하부 케이스(145)로 고강도 물질을 사용함으로써, 상기 하부 케이스(145)가 외부 환경, 특히, 뾰족한 물체 등에 의한 찌름에 대하여 저항력이 향상되어, 파우치형 리튬 이차 전지의 안전성이 향상된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 상부 케이스 및 하부 케이스가 슬라이딩 구조로 결합되어 전지 팩 케이스 결합이 간단하며, 하부 케이스에 고강도 재질을 사용할 수 있어 안정성이 향상된 전지 팩 케이스, 파우치형 리튬 이차 전지와 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 파우치 코어 팩을 수용하는 공간을 구비하는 상부 케이스와;
    상기 상부 케이스를 커버하는 하부 케이스와;
    상기 상부 케이스 및 하부 케이스에 형성된 슬라이딩 결합 수단을 구비하고,
    상기 상부 케이스 및 하부 케이스는 이종의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지 팩 케이스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 슬라이딩 결합 수단은 가이드 돌기와 가이드 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지 팩 케이스.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중 어느 하나는 가이드 돌기를 구비하며,
    상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중 다른 하나는 가이드 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 팩 케이스.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 케이스 및 하부 케이스 분리 방지 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 팩 케이스.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 케이스는 고강도 스틸 또는 고강도 복합 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지 팩 케이스.
  7. 파우치 베어 셀에 보호 회로 모듈이 부착된 파우치 코어 팩과;
    상기 파우치 코어 팩을 수용하며, 슬라이딩 결합 수단을 통하여 결합되는 상부 케이스 및 외부 케이스를 구비하는 전지 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 슬라이딩 결합 수단은 가이드 돌기와 가이드 홈으로 이루어지며,
    상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중 어느 하나는 가이드 돌기를 구비하며, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중 다른 하나는 가이드 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 상부 케이스 및 하부 케이스 분리 방지 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 하부 케이스는 고강도 스틸 또는 고강도 복합 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
  11. 삭제
  12. 삭제
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