이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 수지층과 금속층을 포함하고 있는 고강도 소재의 라미네이트 시트 파우치형 전지케이스의 수납부에 전극조립체가 내장된 상태로 밀봉되어 있고, 상기 전지케이스의 측면 실링부는 굴곡 외주면을 형성하면서 그것의 단부가 상기 수납부를 향하도록 절곡되어 있으며, 보호회로부가 전지셀의 하단에 장착되어 있고, 상기 보호회로부와 전지셀 상단의 전극단자를 전기적으로 연결하기 위한 접속부재가 상기 절곡된 측면 실링부의 내부공간에 위치하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 별도의 팩 외장부재를 사용하지 않고도 전지팩을 구성함으로써 조립공정이 간단하고 저렴하면서 더욱 얇고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 외부충격에 대해 안전성을 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 특징은, 전극조립체가 내장되는 전지케이스로서 고강도의 라미네이트 시트를 사용하고, 전지케이스의 측면 실링부 자체를 특정한 형상으로 만들며, 보호회로부를 전지셀의 하단에 위치고, 이를 전기적으로 연결하기 위한 접속부재를 측면 실링부의 내부공간을 통해 연결함으로써 얻어질 수 있다.
상기 고강도 라미네이트 시트의 바람직한 예로는, 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성된 라미네이트 시트로서, 베리어층의 상기 금속박은 알루미늄 합금으로 이루어져 있고, 상기 외부 피복층이 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있으며, 6.5 kgf 이상의 침상 관통력을 갖는 시트를 들 수 있다. 이에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 국제출원 제PCT/KR2005/3436호에 기재되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
이러한 고강도 라미네이트 시트에서, 상기 금속박은 물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 가지도록 구성됨으로써, 외부 피복층 또는 그것의 외면에 별도로 부가된 수지층과 함께 높은 강도를 부여한다.
상기 침상 관통력은 FTMS 101C 기준 측정방식으로 측정된 관통력을 의미하는 바, 종래의 라미네이트 시트형 전지케이스가 대략 5.0 kgf의 침상 관통력을 가짐에 비해 상기 전지케이스는 적어도 6.5 kgf 이상, 바람직하게는 6.5 ~ 10.0 kgf, 더욱 바람직하게는 7.0 ~ 8.5 kgf의 침상 관통력을 가진다. 상기 범위의 침상 관통력은 전지의 사용시 다양한 침상부재에 의해 전지가 훼손될 수 있는 가능성에 대응하여 전지의 안전성이 보장되는 범위라 할 수 있다.
강도의 증가에 기여하는 상기 베리어층은 20 ~ 150 ㎛의 두께를 가지며, 두께가 너무 얇으면 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
베리어층을 구성하는 상기 알루미늄 합금은 합금 성분에 따라 강도에 차이가 있으며, 다음의 것으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 합금번호 8079, 1N30, 8021, 3003, 3004, 3005, 3104, 3105 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 둘 이 상의 조합으로 사용될 수 있다. 그 중에서도 8079, 1N30, 8021 및 3004이 베리어층의 금속박으로서 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 외부 피복층의 고분자 필름은 바람직하게는 5 ~ 40 ㎛의 두께를 가지며, 너무 얇은 경우에는 소정의 강도를 제공하지 못하고, 반대로 너무 두꺼우면 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다. 본 발명에서 상기 외부 피복층의 고분자 필름은 선택적으로 PEN으로 구성될 수 있으며, PEN으로 구성되지 않는 경우에는 바람직하게는 연신 나일론 필름으로 구성될 수 있다.
외부 피복층의 외면에 PET 층이 선택적으로 부가되는 경우, 상기 PET 층은 바람직하게는 5 ~ 30 ㎛의 두께를 가지며, 너무 얇은 경우에는 부가에 따른 강도의 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
외부 피복층으로서의 PEN 필름의 사용과 외부 피복층 외면에 대한 PET 층의 부가가 선택적 사항이라 하더라도, 이들 중의 적어도 하나의 적용에 의해 상기 소정의 침상 관통력이 얻어질 수 있어야 한다. 또한, 이들의 동시 사용에 의해 더욱 강도가 얻어질 수도 있다.
상기 내부 실란트층은 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어져 있고 30 ~ 150 ㎛의 두께를 가진다.
상기와 같은 구조의 라미네이트 시트는 매우 우수한 강도를 나타내므로 별도의 팩 외장부재를 사용하지 않고도 그 자체로서 전지팩에 요구되는 기계적 물성, 즉, 우수한 인장강도, 충격강도 및 내구성을 제공한다.
상기 라미네이트 시트는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 각각의 층들을 구성하는 필름, 금속박 등을 순차적으로 적층한 후 상호 접착하여 제조할 수 있으며, 그러한 접착 방법으로는 건식 라미네이션(Dry Lamination), 또는 압출 라미네이션(Extrusion Lamination) 방법들이 이용될 수 있다. 상기 건식 라미네이션 방법은 접착제를 일측 소재와 타측 소재 사이에 개재시켜 건조한 후 가열롤(Heating Roll)을 이용하여 그 두 소재를 상온보다 높은 온도와 압력에 의해 상호 접착시키는 방법이다. 또한, 상기 압출 라미네이션 방법은 접착제를 일측 소재와 타측 소재 사이에 개재시킨 후 프레싱롤(Pressing Roll)을 이용하여 그 두 소재를 상온에서 일정 압력에 의해 상호 접착시키는 방법이다.
상기 고강도 라미네이트 시트는 종래의 라미네이트 시트에 비해 월등히 우수한 기계적 강도를 나타내므로, 소정의 기계력을 가하여 일단 특정한 형태로 변형시켰을 때에는 상기 기계력 이하의 힘이 인가되더라도 변형된 상태를 그대로 유지할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 종래의 파우치형 전지에서 무용한 부위였던 양 측면 실링부를 변형시켜 굴곡 외주면을 형성함으로써 그 자체로서 유용한 역할을 하도록 구성하였다.
두 개의 라미네이트 시트(케이스 본체와 커버)가 열융착되어 형성된 측면 실링부는 얇은 판상 구조를 이루므로, 상기 실링부의 단부는 상대적으로 날카롭다. 도 3 및 4에서 보는 바와 같이, 종래의 전지팩에서는 측면 실링부를 수직으로 접어 팩 외장부재(케이스 등)의 안쪽에 위치시켰다. 반면에, 본원발명에서는 전지팩의 구성시 별도의 팩 외장부재를 사용하지 않고 측면 실링부가 전지팩의 외형 일부를 형성하게 된다. 따라서, 상기 측면 실링부는 굴곡 외주면을 형성하면서 실링부의 단부가 안쪽을 향하도록 처리되므로, 결과적으로 전극조립체 수납부의 전지케이스 외면을 감싸도록 변형된다. 더욱이, 굴곡 외주면을 형성하도록 변형된 측면 실링부는 완만한 외면(측면)을 형성하므로, 외면에 외장필름을 도포하는 경우에 부착이 용이하고, 완만한 측면을 가진 전지팩은 디바이스에 장착하기 용이하다는 점 등의 잇점을 가진다.
상기 굴곡 외주면은 측면 실링부의 단부가 전극조립체 수납부 방향, 즉, 안쪽 방향으로 향하도록 절곡되면서 그러한 절곡면이 완만한 곡선을 형성하는 구조를 의미한다. 따라서, 상기 굴곡 외주면은 다양한 구조일 수 있으며, 바람직하게는 수직 단면상으로 원호 구조일 수 있다.
안쪽으로 완만하게 절곡된 측면 실링부의 단부는 전극조립체 수납부의 전지케이스 외면에 직접 접촉할 수도 있지만, 그로부터 약간 이격될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 보호회로부가 전지셀의 하단, 즉, 전지셀의 전극단자가 위치하는 상단에 대해 반대쪽인 하단에 설치되고, 이들을 전기적으로 연결하기 위한 접속부재가 앞서 설명한 바와 같은 측면 실링부의 내부공간에 위치한다.
상기 보호회로부는 전지셀의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하는 보호회로를 포함하고 있는 소자로서 바람직하게는 PCB 형태로 되어 있다. 하나의 실시예에서, 전지셀과 보호회로부 사이에 절연시트가 개재되어, 전기절연성을 더욱 높일 수 있다.
전지셀에 대한 보호회로부의 탑재를 돕고 이를 외부로부터 보호하기 위하여, 상기 보호회로부는 별도의 절연성 캡(하단 캡)에 의해 장착된 상태에서 전지셀의 하단에 결합될 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 하단 캡은 절곡된 측면 실링부의 내부공간에 대응하는 단면 형상의 하단 연장부를 포함하고 있다. 따라서, 상기 하단 연장부를 측면 실링부의 내부공간에 삽입함으로써 전지셀에 대한 하단 캡의 체결을 용이하게 달성할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 보호회로부와 하단 캡을 인서트 사출성형에 의해 일체로 형성할 수도 있으며, 그와 관련한 자세한 기술은 보호회로부와 탑 캡의 인서트 사출성형에 관한 본 출원인의 PCT 국제특허출원 제PCT/KR2004/2882호에 개시되어 있는 내용을 바탕으로 쉽게 응용할 수 있다. 따라서, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
상기 접속부재는 전지셀 상단의 전극단자와 하단의 보호회로부를 전기적으로 연결하는 부재로서, 측면 실링부가 굴곡 외주면을 형성하면서 그것의 단부가 전지셀 방향으로 완만하게 절곡됨으로써 형성된 내부공간을 통해 전지셀의 상단과 하단으로 연장되어 있다. 이러한 접속부재는 전기적 연결을 위한 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 전지셀의 외면 형상으로 절곡되어 있는 니켈 플레이트의 버스 바일 수 있다.
전지셀의 상단은 전극단자가 접속부재와 연결되는 부위라는 점 이외에는 별도의 기능을 갖지 않으므로, 가능하면 높이를 낮추어 전지셀의 전체 크기를 줄이는 것이 바람직하다. 따라서, 하나의 바람직한 예에서, 상단 실링부를 수직으로 상향 절곡하여 전지셀의 본체에 밀착시키고 전극단자를 수직으로 하향 절곡하여 상기 상단 실링부에 밀착시킨 상태에서 상기 전극단자를 접속부재에 연결한 구조일 수 있다. 절연성을 보장하기 위하여 절곡된 상단 실링부와 전극단자 사이에 절연시트를 개재할 수도 있다. 이러한 전지셀의 상단을 외부로부터 보호하기 위하여 탑 캡을 그것의 외면에 추가로 장착할 수 있다.
본 발명에서는 측면 실링부를 소정의 형태로 완만하게 절곡하여야 하므로, 상단 실링부와 측면 실링부가 교차하는 전지케이스의 상단 양측 모서리를 소정의 크기로 절취함으로써, 상단 실링부의 절곡을 용이하게 할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 전지셀의 하단에 보호회로부를 탑재하고 상단과 하단에 각각 탑 캡 및 하단 캡을 장착한 상태에서 전지셀의 외면을 외장필름으로 도포할 수 있다. 외장필름은 전지셀의 외면을 감싸는 형태로 부착되는데, 측면 실링부의 단부와 전지케이스 사이에 이물질이 유입되는 것을 방지하고 탑 캡 및 하단 캡과 전지셀의 결합력을 놓여 주는 등의 작용을 한다. 외장필름의 외면에는 제품 표시, 제조자 표시, 제품 사용방법, 주의사항 등을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지(100)의 모식도가 도시되어 있다. 도 5의 파우치형 전지는 도 1 및 도 2에서 설명한 종래의 파우치형 전지(10)와 대략 동일하므로, 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들 에 대한 설명은 생략한다.
전극조립체를 내장한 상태에서 상단과 양 측면을 열융착시키면, 파우치형 전지(100)의 상단과 양 측면에는 각각 실링부(110, 120, 130)가 만들어진다. 본 발명에서는, 양 측면 실링부(120, 130)의 단부를 전극조립체 수납부(140) 방향으로 완만하게 절곡한다. 도 6에는 그와 같이 절곡된 A-A 부위의 단면도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전지케이스는 두 가지 유형의 적층 구조로 이루어져 있다. 첫 번째 유형(B)은 ONy으로 이루어진 외부 피복층(100a), 알루미늄 합금으로 이루어진 배리어층(100b) 및 CPP로 이루어진 내부 실란트층(100c)과, 외복 피복층(100a)의 외면에 PET 최외층(100d)이 피복되어 있는 구조로 이루어져 있다. 두 번째 유형(C)은 PEN으로 이루어진 외부 피복층(100e), 알루미늄 합금으로 이루어진 배리어층(100b) 및 CPP로 이루어진 내부 실란트층(100c)의 구조로 이루어져 있다. 열융착시, 케이스 본체와 커버의 각각 내부 실란트층(100c)들이 서로 융착되어 실링부를 형성한다.
측면 실링부(120, 130)는 수직단면상으로 원호 형태의 외주면을 형성하면서 그것의 단부(121, 131)가 전극조립체(150)를 내장하고 있는 수납부(140) 방향으로 절곡되어 있다. 따라서, 날카로운 단부(121, 131)가 외부로 향해 있지 않으므로, 취급시 작업자 또는 사용자에게 영향을 주지 않는다.
다시 도 5를 참조하면, 이후의 도 8 내지 도 13에서 설명하는 바와 같이, 전지셀(100)의 높이를 줄이기 위하여 상단 실링부(110)를 수직으로 절곡하게 되는데, 이를 용이하게 하기 위하여 상단 실링부(110)와 측면 실링부(120, 130)가 만나는 교차부(160)를 소정량 절취한다. 교차부(170)의 절취 크기는 전극조립체의 밀봉성을 손상시키지 않는 범위내에서 결정될 수 있다.
측면 실링부(120, 130)를 화살표에서와 같이 절곡하기 전 또는 이후에, 상단 실링부(110)를 일점 쇄선(111)를 따라 수직으로 절곡한다.
본 발명에 따르면, 양 측면 실링부(120, 130)가 예를 들어 도 6에서와 같이 절곡되므로, 측면 실링부(120, 130)의 폭(w)은 종래의 파우치형 전지에서보다 크게 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예 따른 전지팩의 모식도가 부분적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 도 5의 전지셀(100)에서 상단 실링부(110)는 수직으로 상향 절곡되어 있고 전극단자들(160, 162)은 수직으로 하향 절곡되어 전지셀(100)의 상단에 밀착되어 있다. 측면 실링부(120, 130)는 바깥으로 굴곡 외주면을 형성하도록 안쪽으로 절곡되어 내부공간(S)이 형성되어 있으며, 버스 바(300, 310)가 내부공간(S)을 통하여 전지셀(100)의 상단과 하단을 연결한다. 전지셀(100)의 하단에는 외부 입출력 단자(410)를 포함하고 있는 PCM(Protection Circuit Module: 400)이 위치하며, 버스 바(300, 310)에 의해 전지셀(100) 상단의 전극단자(160, 162)에 전기적으로 연결되어 있다. 전극단자(160, 162)와 PCM(400)이 서로 반대편에 위치함으로 인해, 전지셀(100)이 낙하하거나 그것에 외부충격이 가해지더라도 이들의 물리적 접촉으로 인한 단락의 위험성을 배제할 수 있다.
도 8 내지 13에는 도 6에서와 같은 이차전지를 사용하여 전지팩을 제조하는 하나의 예시적인 과정도가 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 도 6에서와 같이 측면 실링부를 완만하게 절곡시킨 파우치형 전지를 이하에서는 전지셀로서 약칭한다.
우선, 도 8에서, 상단 실링부(110)를 수직으로 상향 절곡하고, 그 위에 절연시트(200)를 탑재한 후, 양극리드(160) 및 음극리드(162)가 절연시트(200) 상에 놓이도록 각각 수직으로 하향 절곡한다. 절연시트(200)에 의해 전극리드들(160, 162)은 전지케이스 본체와의 전기적 절연상태를 안정적으로 유지할 수 있다. 측면 실링부(120)는 다음 단계인 도 9의 버스 바 설치 후 절곡할 수도 있고, 그 이전에 절곡할 수도 있다.
다음으로 도 9 및 도 10에서, 버스 바(300, 310)를 측면 실링부(120, 130)의 내부공간에 설치한 상태에서 양극리드(160)와 음극리드(162)에 결합시킨다. 전극리드(160, 162)와 버스 바(300, 310)의 결합은 바람직하게는 스팟 용접에 의해 이루어질 수 있다.
그런 다음 도 11에서, 전극단자(160, 162)의 반대쪽인 전지셀(101)의 하단에 PCM(400)을 탑재하고, 이를 버스 바(300, 310)에 연결한다. PCM(400)은 과충전, 과방전, 과전류 등으로부터 전지를 보호할 수 있는 보호회로가 포함되어 있으며, 외부기기(도시하지 않음)와의 전기적 연결을 위한 외부 입출력 단자(410)와 침수 여부를 확인하기 위한 테스트 포인트(420)가 또한 포함되어 있다.
PCM(400)과 니켈 플레이트(도시하지 않음)의 결합은 다양한 방법에 의해 달 성될 수 있으며, 예를 들어, 스팟 용접, 레이저 용접, 납땜 등을 행할 수 있다.
버스 바(300, 310)는 절곡된 측면 실링부(120, 130)의 내부에 위치하므로 전지셀(101)의 외면으로 노출되지 않는다.
다음으로 도 12에서, 전기접속 부위들을 보호할 수 있도록 전지셀(101)의 상단과 하단에 각각 탑 캡(500)과 하단 캡(510)을 장착하고 외면에 외장필름(600)을 도포한다.
하단 캡(510)은 PCM(400)을 감싸는 구조의 전기절연성 소재로 이루어져 있고, PCM(400)의 외부 입출력 단자(410)와 테스트 포인트(420)가 외부로 노출될 수 있도록 해당 위치에 다수의 개구들(512, 514)이 형성되어 있으며, 전지셀(101)의 절곡된 측면 실링부(120)의 내부공간에 삽입될 수 있는 하단 연장부(516)가 전지셀(101)의 방향으로 연장되어 있다. 따라서, 하단 연장부(516)를 측면 실링부(120)의 내부공간에 삽입함으로써, 전지셀(101)에 대한 하단 캡(500)의 체결이 이루어진다.
경우에 따라서는, PCM(400) 하부의 이격공간에 절연성 수지를 충진하거나 절연성 부재를 삽입 장착하여 전지팩의 낙하시 내부 단락의 가능성을 방지할 수 있으며, 그에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원 제2005-5623호에 개시되어 있는 바, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
탑 캡(500)에도 하단 캡(510)에서와 같은 하단 연장부(516)가 형성되어 있어서, 측면 실링부(120)의 내부공간에 삽입하는 방식으로 체결되도록 구성할 수 있다. 다만, 도면에서는 다양한 체결구조를 보여주기 위하여, 전지셀(101)의 단면 형상에 대응하는 구조를 가진 탑 캡(510)이 도시되어 있다.
탑 캡(500)과 하단 캡(510)이 장착된 상태에서 외장필름(600)을 도포하여 부착하는 바, 외장필름(600)은 전지셀(101)에 존재하는 다수의 이격공간들, 예를 들어, 측면 실링부(120)의 단부와 전지케이스 사이의 이격틈으로 이물질이 유입되는 것을 방지하고, 전지케이스를 보호하며, 전지셀(101)에 대한 탑 캡(500)과 하단 캡(510)의 체결력을 높여 주는 등의 작용을 한다.
이러한 조립과정을 통해 완성된 전지팩(700)의 사시도가 도 13에 도시되어 있다.
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.