KR100869377B1 - 병렬 연결 구조의 중첩식 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 상에 적어도 일부가 연통되도록 연속적으로 두 개의 전극조립체 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 각각 전극조립체를 장착한 후 밀봉하여 두 개의 연속적인 전지셀들을 제조하며, 상기 전지셀들이 서로 대면하도록 중첩시킨 후 병렬 접속방식으로 연결한 구조의 중첩식 이차전지를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 중첩식 이차전지는 간단한 조립공정으로 두 단위의 전극조립체를 포함할 수 있고, 동일 규격 대비 우수한 용량을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 전지셀들간의 물질 및/또는 성능의 레벨링을 용이하게 이룰 수 있어 수명 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

병렬 연결 구조의 중첩식 이차전지 {Layered-Type Secondary Battery with Parallel Connection Structure}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중첩식 이차전지의 분해 사시도이다;

도 2는 도 1의 이차전지에서 직선 A-A에 따른 전지케이스의 단면도이다;

도 3 내지 5는 도 1의 이차전지를 조립하는 과정에 대한 모식도들이다;

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중첩식 이차전지에서 전극조립체가 장착된 상태의 정면도이다.

본 발명은 병렬 연결 구조를 가진 중첩식 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 상에 적어도 일부가 연통되도록 연속적으로 두 개의 전극조립체 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 각각 전극조립체를 장착한 후 밀봉하여 두 개의 연속적인 전지셀들을 제조하 며, 상기 전지셀들이 서로 대면하도록 중첩시킨 후 병렬 접속방식으로 연결한 구조의 중첩식 이차전지를 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

일반적으로 파우치형 이차전지는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 파우치형 이차전지는 라미네이트 시트에 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 상기 시트에서 분리되어 있는 별도의 시트 또는 연장되어 있는 시트를 열융착하는 것으로 제조된다.

이러한 파우치 케이스는 대략 113 ㎛ 두께의 알루미늄 라미네이트 시트를 다이와 펀치를 사용하여 딥-드로잉 공정에 유사한 방식으로 부분 압축함으로써 수납부를 형성할 수 있다. 그러나, 상기와 같이 얇은 두께의 시트는 그것을 압축하는 과정에서 파열 등이 유발될 수 있으므로, 일반적으로 15 mm 이상의 깊이를 가진 수납부를 형성하기 어렵다. 이와 관련하여, 선행기술 중에서는 수납부를 라미네이트 시트의 양측(예를 들어, 일체화되어 있는 본체와 덮개)에 형성하여 라미네이트 시 트의 공정상의 문제점을 해결하였다. 이에 그치지 않고, 일부 선행기술들에서는 상기의 구조를 바탕으로 라미네이트 시트의 양측에 같은 크기의 수납부를 형성하고 별도의 라미네이트 시트 또는 일체형의 라미네이트 시트를 열융착하여 연속하는 두 개의 전지셀을 제조한 다음, 상기 두 전지셀를 포갬으로써 하나의 공정으로 전지의 용량을 두 배로 증가시켰다.

그 중 하나의 예로서, 일본 특허출원공개 제2004-055153호에서는 제 1 라미네이트 시트에 연속된 두 개의 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 대향하는 방향으로 전극탭이 돌출될 수 있도록 전극조립체를 수납한 뒤, 제 2 라미네이트 시트를 열융착하여 연속하는 두 개의 전지셀을 제조한 다음, 상기 두 전지셀을 포개어 인접한 같은 극의 전지탭들을 용접함으로써 이차전지를 제조하는 기술을 제시하였다. 그러나, 상기 기술은 분리형 구조의 라미네이트 시트를 사용하므로 작업공정이 복잡할 뿐만 아니라, 그러한 구조로 인하여 가장자리 모두에서 열융착이 행해져야 하는 단점을 가지고 있다. 이와 같이 4면 부위에 모두 열융착을 행하는 경우, 전해액의 누액 및/또는 공기, 습기 등의 침투 가능성이 높아지므로 전지의 수명이 그만큼 짧아질 수 있으며, 전지셀의 부피가 증가되는 등의 단점을 가진다.

또 다른 예로서, 한국 특허출원공개 제2004-0054233호에서는 라미네이트 본체에 연속된 두 개의 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 전극조립체를 내장한 뒤, 상기 본체로부터 연장되어 있는 덮개를 이용하여 밀봉하는 것으로 연속하는 전지셀들을 제조한 다음, 같은 극의 전극탭들이 접하도록 상기 전지셀들을 포개어 전극탭들에 PCM을 연결함으로써 전지셀을 제조하는 기술이 제시되어 있다. 상기 기술은 두 전지셀들을 병렬 구조로 연결하여 하나의 PCM을 사용함으로써 제조단가를 낮추는 것을 목적으로 한다. 그러나, 병렬 구조로 연결되어 있는 두 전지셀 중 하나의 전지셀이 정상으로 작동하지 못할 경우, 정상 작동을 하는 다른 전지셀에도 악영향을 미쳐, 전체적으로 전지의 수명을 단축시키기도 한다. 예를 들어, 하나의 전지셀에서 전해액의 고갈로 인해 충방전 레이트(rate) 특성이 급격히 저하되었을 경우, 상기 전지셀을 제외한 나머지 전지셀에서 집중적으로 충방전이 행해지므로, 전지의 성능이 저하되게 된다.

따라서, 간편한 조립공정으로 두 개의 전극조립체를 포함할 수 있고, 전지셀간의 물질 및/또는 성능의 레벨링이 용이하여 전지의 성능 저하를 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 간단한 조립공정으로 두 단위의 전극조립체를 포함할 수 있고, 동일 규격 대비 우수한 용량을 가진 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전지셀들간의 물질 및/또는 성능의 레벨링을 용이하게 이룰 수 있고, 그로 인하여 수명 특성을 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중첩식 이차전지는, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 상에 적어도 일부가 연통되도록 연속적으로 두 개의 전극조립체 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 각각 전극조립체를 장착한 후 밀봉하여 두 개의 연속적인 전지셀들을 제조하며, 상기 전지셀들이 서로 대면하도록 중첩시킨 후 병렬 접속방식으로 연결한 구조로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명의 이차전지는 두 개의 전지셀을 장착하였을 경우보다 제조가 용이하고, 공간을 절약할 수 있어서 동일 규격 대비 전지 용량을 증가시킬 수 있으며, 전지셀들이 적어도 일부에서 상호 연통되어 있으므로 하나의 전지셀에서 전해액이 고갈되었을 경우 전해액의 레벨링이 가능하여 불균일한 성능 저하로 인한 수명 단축의 문제점을 방지할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 상기 수납부에 각각 전극조립체를 장착한 상태에서 상기 라미네이트 시트를 절곡(1차 절곡)하여 밀봉하고, 상기 절곡 방향에 대해 수직한 방향으로 라미네이트 시트를 재차 절곡(2차 절곡)하여 수납부가 형성되어 있지 않은 부위가 상호 대면하도록 전지셀들을 중첩시킴으로써 제조될 수 있다. 바람직하게는, 상기 1차 절곡이 이루어진 후에 전극조립체의 밀봉을 위한 열융착 공정이 행해질 수 있다. 이는 상기 2차 절곡이 행해지는 과정에서 각 전지셀 내부의 전해액이 유출되거나 전극조립체가 이동하는 것을 방지하기 위함이다.

상기 열융착 공정은 일반적으로 수납부의 외주면을 따라 라미네이트 시트가 상호 접촉되어 있는 면에서 이루어진다. 따라서, 본 발명에서와 같이, 두 수납부가 일부에서 연통되어 있는 경우, 상기 두 수납부 사이에서는 라미네이트 시트의 접촉면이 존재하지 않으므로 열융착 공정이 행해질 필요가 없다.

상기의 예에서, 상기 1차 절곡과 2차 절곡을 행하는 라미네이트 시트는 일체의 구조로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 구체적인 예로서, 하나의 라미네이트 시트에서 그것의 일측에 연속하는 두 개의 전극조립체 수납부를 형성하였을 경우, 상기 일측(본체)과 수납부들이 형성되어 있지 않은 타측(덮개) 사이에서 1차 절곡이 행해지고, 그러한 1차 절곡이 행해진 후 두 개의 전지셀들을 중첩시키기 위하여 상기 두 개의 수납부들 사이에서 2차 절곡이 행해질 수 있다. 즉, 상기의 예에서처럼, 하나의 라미네이트 시트에서 본체와 덮개를 형성할 경우, 이차전지를 제조하기 위한 두 차례의 절곡은 하나의 라미네이트 시트에서 이루어질 수 있다.

이때, 상기 1차 절곡과 2차 절곡은 서로 수직 관계를 이루면서 행해지는 것이 바람직하다. 즉, 일체형의 라미네이트 시트에서는 1차 절곡이 행해지는 부위에서 열융착 공정이 이루어질 필요가 없으므로, 상기 1차 절곡이 행해지는 부위가 넓을수록 바람직하다. 따라서, 전극조립체 수납부들은 모두 상기 1차 절곡 부위에 인접하도록 형성되며, 이로 인하여 수납부들 사이에서 이루어지는 2차 절곡과 상기 1차 절곡은 서로 수직 관계를 갖을 수 있다. 이때, 상기 1차 절곡 부위는 열융착이 행해지지 않음으로써 결착력이 다소 떨어질 가능성이 있지만, 상기 2차 절곡이 그것에 수직하게 이루어지기 때문에 취약한 결착력을 보완하는 기능도 한다.

하나의 바람직한 예에서, 두 개의 수납부들은 상기 라미네이트 시트 상에서 상하 위치로 형성하고, 전극조립체들은 그것의 전극단자들이 서로 반대쪽 방향을 향하도록 상기 수납부에 각각 장착될 수 있다. 이럴 경우, 상기 1차 절곡면은 수납부들의 일 측면이고, 상기 2차 절곡면은 수납부들 사이의 경계면일 수 있다.

또 다른 바람직한 예에서, 두 개의 수납부들은 상기 라미네이트 시트 상에서 좌우 위치로 형성하고, 전극조립체들은 그것의 전극단자들이 동일 방향을 향하도록 상기 수납부에 각각 장착될 수 있다. 이 경우, 상기 1차 절곡면은 수납부들의 하단면이고, 상기 2차 절곡면은 수납부들 사이의 경계면일 수 있다.

상기의 예들에서, 수납부들의 형성 위치는 전극조립체의 전극탭들이 돌출되어 있는 길이 방향을 기준으로 상기 전극조립체가 장착되는 형태에 의하여 상하 좌우를 구분하였다. 예를 들어, 전극조립체가 그것의 길이 방향을 기준으로 하단이 상호 인접하도록 장착될 경우, 상기 수납부들은 상하 위치로 형성되어 있다고 할 수 있고, 상기 전극조립체의 일 측면이 인접하도록 장착될 경우, 상기 수납부들은 좌우 위치로 형성되어 있다고 할 수 있다.

상기 전지셀 각각의 측면 실링부는 전지셀의 부피 증가를 유발하므로, 전지셀 본체에 밀착되도록 수직 절곡하는 것이 바람직하다. 실질적으로, 본 발명에서 상기 측면 실링부는 전지셀 각각의 일 측면에 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 일 예에서처럼, 1차 절곡면이 수납부들의 일 측면에 위치하고, 상기 수납부에 전극조립체들이 그것의 전극단자들이 서로 반대쪽 방향을 향하도록 장착될 경우, 상기 1차 절곡이 이루어진 방향의 측면에는 실링부가 형성되지 않으므로, 그것에 대향하는 타 측면에만 실링부가 형성되게 된다. 따라서, 본 발명은 이러한 측면 실링부 를 감소시킴으로써, 상기 실링부가 유발하는 많은 문제점들을 해소할 수도 있다.

상기 전지셀들은 2차 절곡에 의해 서로 중첩된 상태에서 서로 인접한 각각의 전극단자들을 연결함으로써 결합된다. 이때, 상기 전극단자들은 다양한 방법으로 연결될 수 있으며, 바람직하게는 용접 또는 솔더링 등에 의하여 더욱 안정적으로 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 하나의 구체적인 예에서 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

본 발명에서 상기 이차전지는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지가 바람직하며, 그 중에서도 리튬이온 폴리머 이차전지가 더욱 바람직하다. 상기 리튬 이차전지의 기타 구성요소들 및 제조방법은 당업계에 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 전지는 그것의 두께가 적어도 15 mm 이상인 것이 바람직하다. 상기에서 설명한 바와 같이, 라미네이트 시트는 매우 얇은 구조로서 일반적으로 15 mm 이상의 깊이를 가진 수납부를 형성하기 어렵고, 그로 인해 전지의 두께 역시 15 mm 이상으로 제조되기 어렵다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 수납부를 연속적으로 형성한 뒤, 두 수납부를 포갬으로써 15 mm의 한계점을 극복하고 있다. 따라서, 본 발명에서는 각각의 수납부들을 최대한의 깊이로 형성함으로써, 전지의 전체 두께를 적어도 15 mm 이상, 바람직하게는 30 mm 이하까지의 두께로 제조할 수 있다. 여기서, 전지의 두께는 전기화학적 반응이 일어나는 전극조립체(발전소자)의 두께 또는 그것이 장착되는 수납부의 깊이를 의미한다.

본 발명은 또한 이러한 이차전지를 단위 셀로 하는 고출력 대용량의 중대형 전지모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 중대형 전지모듈은 2 개의 전지셀을 하나의 단위 셀로서 취급하여 조립을 행할 수 있고 이들의 결합 구조가 치밀하므로, 전지모듈의 전체적인 조립 공정을 간소화할 수 있고 더욱 콤팩트한 구조로 제조될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지들을 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중첩식 이차전지의 분해 사시도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 이차전지(100)는 두 개의 수납부(230, 231)가 형성되어 있는 본체(210), 및 본체(210)와 일체화 되어 있으며 수납부(230, 231)를 밀봉할 수 있는 형태의 덮개(220)로 이루어진 전지케이스(200)와, 각각의 수납부(230, 231) 내부에 장착되며 일측에서 전극단자들(310, 320)이 돌출되어 있는 전극조립체(300, 301)로 구성되어 있다.

두 수납부(230, 231)는 그것의 높이보다 낮게 형성되어 있는 격벽(240)에 의하여 상호 연통되어 있다. 즉, 수납부(230, 231)를 밀봉하기 위하여 덮개(220)를 본체(210)의 실링부(250, 260)에 열융착하는 과정에서, 수납부(230, 231)의 높이보 다 다소 낮은 격벽(240)은 덮개(220)와 이격틈을 형성할 수 있으며, 이러한 이격틈로 인해 두 수납부(230, 231)는 상호 연통되는 구조를 형성한다. 이러한 구조는 직선 A-A에 따른 단면도가 도시되어 있는 도 2에서 용이하게 확인할 수 있다.

전극조립체(300, 301)는 그것들의 하단에 인접한 부위에서 1차 절곡이 행해질 수 있도록, 그것들의 전극단자들(310, 320, 311, 321)이 제 1 일점 쇄선 경계면(도 3: 400)에 대향하는 방향으로 돌출될 수 있도록 장착된다.

도 3 내지 5에는 도 1의 이차전지를 조립하는 과정에 대한 모식도들이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 이차전지는 좌우 방향으로 형성되어 있는 두 개의 수납부(230, 231)에 전극조립체(300, 301)를 각각 장착하는 과정, 제 1 일점 쇄선 경계면(400)을 따라 1차 절곡하는 과정, 제 2 일점 쇄선 경계면(401)을 따라 2차 절곡하는 과정, 및 측면 실링부(260)를 수납부(230)의 측면으로 수직 절곡하는 과정을 거쳐 완성될 수 있다.

1차 절곡과 2차 절곡이 이루어지는 두 일점 쇄선 경계면들(400, 401)은 서로 수직 관계로서, 이는 2차 절곡이 행해지면서 열융착되지 않은 1차 절곡부의 취약한 결합력을 보완하기 위함이다. 2차 절곡이 행해지는 동안, 본체(210)와 덮개(220)가 서로 이격될 수도 있으므로, 격벽(240)의 양측(241)에는 덮개(220)와의 접촉면적을 넓히기 위하여, 실링부(260)에서 돌출되어 있는 형상의 접촉부가 형성되어 있다.

도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중첩식 이차전지에서 전극조립체 가 장착된 상태의 정면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 두 개의 수납부(230, 231)는 상하 방향으로 형성되어 있고, 전극조립체(300, 301)는 그것의 측면과 인접한 부위에서 1차 절곡이 행해질 수 있도록, 하단에서 인접하고 그것들의 전극단자들(310, 320, 311, 321)이 서로 대향하는 방향으로 돌출될 수 있도록 장착된다. 이러한 구조에서는 제 1 일점 쇄선 경계면(400)을 따라 1차 절곡이 행해진 후 제 2 일점 쇄선 경계면(401)을 따라 2차 절곡이 행해진다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 간단한 조립공정으로 두 단위의 전극조립체를 포함할 수 있고, 동일 규격 대비 우수한 용량을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 전지셀들간의 물질 및/또는 성능의 레벨링을 용이하게 이룰 수 있어 수명 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 상에 적어도 일부가 연통되도록 연속적으로 두 개의 전극조립체 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 각각 전극조립체를 장착한 후 밀봉하여 두 개의 연속적인 전지셀들을 제조하며, 상기 전지셀들이 서로 대면하도록 중첩시킨 후 병렬 접속방식으로 연결한 구조의 중첩식 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부에 각각 전극조립체를 장착한 상태에서 상기 라미네이트 시트를 절곡(1차 절곡)하여 밀봉하고, 상기 절곡 방향에 대해 수직한 방향으로 라미네이트 시트를 재차 절곡(2차 절곡)하여 수납부가 형성되어 있지 않은 부위가 상호 대면하도록 전지셀들을 중첩시키는 것을 특징으로 하는 중첩식 이차전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 1차 절곡과 2차 절곡을 행하는 라미네이트 시트는 일체의 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 중첩식 이차전지.
4. 제 3 항에 있어서, 두 개의 수납부들은 상기 라미네이트 시트 상에서 상하 위치로 형성하고, 전극조립체들은 그것의 전극단자들이 서로 반대쪽 방향을 향하도록 상기 수납부에 각각 장착하며, 상기 1차 절곡을 행하는 라미네이트 시트의 면은 수납부들의 일 측면이고, 상기 2차 절곡을 행하는 라미네이트 시트의 면은 수납부들 사이의 경계면인 것을 특징으로 하는 중첩식 이차전지.
5. 제 3 항에 있어서, 두 개의 수납부들은 상기 라미네이트 시트 상에서 좌우 위치로 형성하고, 전극조립체들은 그것의 전극단자들이 동일 방향을 향하도록 상기 수납부에 각각 장착하며, 상기 1차 절곡을 행하는 라미네이트 시트의 면은 수납부들의 하단면이고, 상기 2차 절곡을 행하는 라미네이트 시트의 면은 수납부들 사이의 경계면인 것을 특징으로 하는 중첩식 이차전지.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 전지셀 각각의 측면 실링부는 전지셀 본체에 밀착되도록 수직 절곡하는 것을 특징으로 하는 중첩식 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 각각의 인접한 전극단자들은 상호 용접 또는 솔더링하여 결합시키는 것을 특징으로 하는 중첩식 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 중첩식 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 중첩식 이차전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 적어도 15 mm 이상의 전체 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 중첩식 이차전지.
11. 제 1 항에 따른 이차전지를 단위 셀로 하는 고출력 대용량의 중대형 전지모듈.

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