KR100876253B1 - 폴리머 전지팩 - Google Patents

Abstract

파우치형 케이스를 가지는 폴리머 베어셀 적어도 하나를 상호 간격 조절장치를 가지는 적어도 두 개의 판재(플레이트) 사이에 설치하여 이루어지는 폴리머 전지팩이 개시된다. 이때 폴리머 베어셀을 사이에 두고 압박하는 판재는 열전도성이 좋은 금속으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면 폴리머 베어셀 내의 전극과 폴리머 전해질 사이에 공간이 생기는 것을 막을 수 있고, 전극과 폴리머 전해질 사이의 접촉면적을 늘리고, 두 전극 사이의 간격을 좁혀 이온전도도를 높이고, 내부 저항을 낯출 수 있다.

Description

폴리머 전지팩{BATTERY PACK HAVING POLYMER ELECTROLYTE}

도1 및 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 전지팩의 기본 구성을 나타내는 정면도 및 평면도이다.

도3 및 도4는 본 발명의 다른 실시예에서 폴리머 베어셀을 압착하는 데 사용되는 플레이트의 형태를 나타내는 정면도 및 평면도이다.

본 발명은 비수성 전해질 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나이상의 베어셀로 이루어지는 비수성 전해질 전지팩에 관한 것이다.

최근 첨단 전자산업의 발달로 전자장비의 소량화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 휴대용 전자 기기의 사용이 증대되고 있다. 특히, 휴대용 전자 기기의 전원으로 높은 에너지 밀도를 가진 전지의 필요성이 증대되어 리튬 이차 전지의 연구, 개발이 활발하게 진행되어 왔다. 리튬 이차 전지의 대개 양극 활물질로는 리튬 금속 산화물이 사용되고 음극 활물질로는 탄소 또는 탄소 복합체가 사용되고 있다. 활물질을 적당한 두께와 길이로 집전체에 도포하거나 또는 활물질 자체를 필름 형상으 로 하여 절연체인 세퍼레이터와 함께 적층하거나 적층, 권취하여 전극군을 만든 다음, 캔, 파우치 또는 이와 유사한 용기에 넣은 후, 전해액을 주입하여 이차 전지를 제조한다.

소형 경량, 박형화가 요구되는 휴대형 전자 기기에서의 필요에 따라서, 그 전원으로 많이 사용되는 리튬 이차전지는 더욱 박형화되고, 형상 자유도가 향상될 것이 요청된다. 이런 요구에 따라 형태에 대한 융통성이 강화된 파우치형 케이스의 리튬 이차 전지가 개발되어 사용되고 있다.

파우치형 리튬 이차전지는 박형화 및 형상자유도 측면에서 유리하지만 케이스의 강도가 떨어져 캔형 리튬 이온 전지와 유사하게 케이스 내에 비수계인 유기전해액을 채워넣을 경우, 전해액의 누출이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다. 유기전해액의 누출은 단순히 전지의 기능의 종료 내지는 오염의 문제를 넘어서 발화가능성을 높여 안전성의 문제를 일으킨다. 따라서, 파우치형 리튬 이차전지에서는 전해액이 흐르지 않는 전해질을 사용하는 것이 바람직하게 된다.

전해액이 흐르지 않게 하기 위해서는 두 전극 사이에 세퍼레이터의 역할을 겸하도록 자체가 완전한 고체인 전해질을 사용하거나, 폴리머 기재에 전해질 용액을 함침시킨 혹은 고체 전해질에 가소제로서 유기 용매를 함침시킨 겔형 폴리머 전해질 등을 사용하여 전지를 구성할 수 있다. 이러한 고체 전해질 전지 가운데 전해질에 폴리머가 사용되는 경우의 전지를 흔히 폴리머전지라고 호칭한다.

폴리머 전지는 비교적 작은 소형 전자 기기의 얇은 두께를 가진 전원으로 많이 개발되고 이용되고 있으나, 한편으로, 대용량 고출력 전지의 용도로 다수의 폴 리머 베어셀이 결합된 폴리머 전지팩도 개발되고 있다.

파우치형의 폴리머 전지에서는 케이스가 전극 조립체에 주는 압력이 미약하므로 전극조립체의 적층 권취가 풀어져 전극 및 세퍼레이터 사이의 밀착성 정도가 약화되기 쉽고, 여러가지 원인으로 전극조립체가 변형되면서 전극조립체를 이루는 양극, 음극 및 폴리머 전해질층 사이의 접촉이 느슨해지거나 틈이 생기기 쉽다. 이런 경우, 전체적으로 이온이 전도되는 면적이 줄어들어 이온전도도가 작아지고, 부분적으로 이온전도도의 차이가 발생하여 덴드라이트가 발생할 염려도 높아질 수 있다. 또한, 해당 부분은 충방전 활동에 참여하지 못하여 전체 전지 용량의 감소를 가져올 수 있다. 따라서, 폴리머 전지에서 고율 충방전 특성이 나빠지거나 수명 특성이 열화되는 문제가 생기기 쉽다.

이런 문제를 해결하기 위해 미국특허등록 5,981,107 등에서는 극판과 세퍼레이터 사이에 수지 접착층, 바인더층을 형성하는 방법이 제시된 바 있다. 그러나, 이들 접착층이나 바인더층은 통상 이온전도도가 낮아 내부 이온전도 저항을 증가시키는 문제가 있다. 또한 이들 접착층이나 바인더층으로 전지의 용량 증가와 관계없는 물질이 추가로 들어가 전지 부피당 전기 용량 혹은 전지 질량당 전기 용량을 저하시키는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 저감시키기 위한 것으로, 파우치 케이스를 가지는 폴리머 베어셀을 구비하여 이루어지는 폴리머 전지팩에서 내부 전류의 흐름이 약화되는 것을 방지하고, 수명 특성의 저하를 방지하기 위한 구조를 제시하는 것을 목 적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폴리머 전지팩은 파우치형 케이스를 가지는 폴리머 베어셀 적어도 하나를 상호 간격 조절장치를 통해 결합되는 적어도 두 개의 판재(플레이트) 사이에 설치하여 이루어진다.

본 발명에서 두 판재는 열전도성이 좋은 재질 가령, 금속 재질로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 판재는 폴리머 베어셀의 넓은 면과 닿는 부분에서 전체적으로 평편한 상태를 이루는 구조체라는 의미이고 반드시 전체가 얇고 넓게 형성될 필요는 없다.

본 발명에서 폴리머 전지팩은 복수 개의 폴리머 베어셀이 이용되는 경우에 베어셀 사이마다 하나의 혹은 복수 개의 폴리머 베어셀 사이에 적당한 간격으로 판재를 설치하고, 양 단에 하나씩 판재를 설치하여 각 판재와 판재 사이에 위치하는 베어셀을 압착하도록 형성될 수 있다.

한편, 폴리머 베어셀의 팽창수축에 적절히 대응 가능하도록, 폴리머 베어셀을 압착하는 판재가 스프링 등의 완충재를 통해 상기 간격 조절 장치와 팩 내에 결합될 수도 있다. 가령, 판재 가운데 적어도 하나는 상기 간격 조절 장치에서 완충재를 통해 일정 범위에서 이동 가능하게 설치되어 상기 폴리머 베어셀의 용적 변화에 따라 상기 판재 사이의 간격이 변동되도록 이루어질 수 있다.

본 발명에서 상호 간격 조절 장치는 각 판재에 형성되는 나사 구멍과, 이들 구멍을 관통하며 표면에 나사산이 형성되는 로드와, 각 판재의 나사 구멍이 형성된 부분에 설치되는 너트, 스크류, 볼트 머리가 될 수 있다.

본 발명에서 폴리머 베어셀 양측의 두 판재 및 상호 간격 조절 장치는 바이스와 같은 형태로 이루어질 수도 있다.

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

도1 및 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 전지팩의 기본 구성을 나타내는 정면도 및 평면도이다.

도1 및 도2와 관련하여, 두 개의 폴리머 베어셀(20,30)이 전단 및 후단의 두 플레이트(210,230) 사이에 대면적면이 서로 평행하도록 설치된다. 그리고 두 폴리머 베어셀(20,30) 사이에는 별도의 플레이트(220)가 설치된다. 각각의 직사각형 플레이트의 4개의 모서리에는 홀이 형성되어 있고 이들 플레이트의 홀이 정렬된 상태에서 표면에 나사산이 형성된 볼트(110,120)가 홀을 관통한다. 홀에 접하도록 플레이트 하나당 하나의 위치 고정 수단이 설치되고, 위치 고정 수단으로는 볼트 머리(111,121,131,141) 너트(113,115,123,125) 혹은 스크류가 이용될 수 있다.

폴리머 베어셀은 통상의 방법으로 형성할 수 있다. 가령, 파우치형 리튬 폴리머 전지를 형성하기 위해, 미리 전극조립체가 수용될 홈을 형성하거나 형성하지 않은 파우치에 전해질을 포함하여 전극조립체를 넣고, 전극탭 일부가 외부로 노출 되도록 파우치의 열린 부분을 실링하고, 일정 온도 이상으로 폴리머화를 실시하여 겔 폴리머 전해질을 형성하고, 초기 충방전을 실시하는 방법 등으로 형성할 수 있다. 겔 폴리머 전해질은 폴리머 물질의 모노머나 올리고머, 리튬염, 가소제 용매에 폴리머화를 위한 에너지를 가하여 형성할 수 있다. 필요에 따라 겔 폴리머 전해질을 형성하기 위해 개시제를 첨가할 수 있다. 이때, 폴리머화는 본 발명의 폴리머 전지팩의 형태로 폴리머 베어셀과 이들을 압착하는 플레이트 및 플레이트 간격 조절 장치가 결합된 상태에서 이루어질 수 있다.

전극조립체의 양극 및 음극은 집전체 표면에 활물질 슬러리를 도포하여 건조 압연하여 형성할 수 있다. 양극 및 음극 어느 한 쪽 표면에 겔 폴리머층이 적층 형성될 수 있다. 전극조립체는 이러한 전극을 적층 권취하여 형성할 수 있다. 활물질로는 리튬이온을 인터카레트, 디인터칼레이트할 수 있는 물질이 통상적이며, 양극활물질로는 코발트산리튬, 니켈산리튬, 망간산리튬 등이 음극으로는 흑연 등이 많이 사용된다.

도면의 위쪽으로는 폴리머 베어셀의 전극탭(21,23,33)이 폴리머 베어셀의 케이스를 구성하고 있는 파우치를 통과하여 드러나 있다. 이들 전극탭(21,23,33)은 폴리머 전지팩의 필요에 따라 폴리머 베어셀을 직렬 혹은 병렬로 연결하도록 별도의 단자(미도시)에 접속되고, 이들 별도의 단자들은 폴리머 전지팩의 충방전을 관리하는 기판 형태의 보호회로 모듈(미도시)에 연결될 수 있다.

플레이트는 평판형태로 폴리머 베어셀의 전극조립체와 겹치도록 형성되며, 금속판과 같이 기계적 강도와 열전도도가 높은 재료로 이루어지는 것이 바람직하 다. 열전도도가 높은 경우, 각각의 폴리머 베어셀에서 발생하는 열을 쉽게 외부로 방출하도록 하는 방열판의 역할을 하여 폴리머 전지팩 전체의 안전성을 높일 수 있다.

본 실시예에서는 베어셀은 2개가 사용되지만, 베어셀은 하나로 이루어지거나, 수십개가 나란히 설치될 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 베어셀 사이에는 베어셀 마다 별도로 압력조절을 할 수 있도록 플레이트가 설치되지만, 단순히 전후 방향으로 정렬된 베어셀의 전단 및 후단에만 플레이트가 설치되어 전체 베어셀을 두 개의 플레이트로 압착시키는 형태로 사용될 수도 있다.

본 실시예에서 베에셀은 베어셀에 압력을 가하는 플레이트는 팩 내에서 볼트 머리나 너트, 스크류 등에 의해 위치가 상대적으로 고정되지만, 너트와 플레이트, 볼트 머리와 플레이트 사이에는 완충작용을 하는 스프링 등의 부재가 설치되어 팩 내에서의 플레이트의 위치가 가변될 수도 있다. 가령, 폴리머 베어셀의 음극 물질이 흑연과 같이 충방전시에 용적의 변화가 큰 물질로 된 경우에는 판재 사이의 간격이 완전히 고정되어 있다면 이런 용적변화에 의해 충전시 플레이트의 베어셀에 대한 압력은 극적으로 증가하게 된다. 이런 압력이 강해지면 베어셀의 내부 구조에서 폴리머 전해질이나 기재에 기계적 손상이 발생할 수 있고, 내부 단락 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 베어셀에 대한 압력이 강해져 충방전 작용이 원활하게 이루어지지 않을 수도 있다.

예를 들면, 플레이트에는 주변에 홀이 형성되고, 홀을 관통하면서 외면에 나사산이 형성된 로드 및 플레이트 각각의 위치를 한정하기 위한 너트나 스크류 등의 위치 고정 수단이 간격 조절 장치를 이루고, 위치 고정 수단과 플레이트 가운데 적어도 하나의 사이에는 완충재로서 스프링이 설치되는 구성을 생각할 수 있다. 이런 구성에서 스프링 등의 완충 장치를 통해 폴리머 전지팩 내에서 플레이트가 설치된다. 그러므로, 충전시에 베어셀의 용적 증가로 스프링이 압축되면서 혹은 인장되면서 스프링의 복원력에 의해 베어셀에 대한 플레이트의 압력은 점차 커지지만 플레이트 자체가 일부 이동하게 되므로 플레이트 사이의 간격은 늘어나고, 압력의 급격한 증가는 막을 수 있게 된다.

도3 및 도4는 본 발명의 다른 실시예에서 폴리머 베어셀을 압착하는 데 사용되는 플레이트의 형태를 나타내는 정면도 및 평면도이다.

도3 및 도4를 참조하면, 폴리머 베어셀을 점선으로 나타내어 폴리머 베어셀이 설치되는 위치와 플레이트(310)의 단차홈(315)과의 관계 혹은 겹치는 형태를 나타낸다. 단차홈은 폴리머 베어셀의 전극탭이 형성된 부분과 겹쳐진다. 따라서 전극탭이 설치되어 두껍게 형성된 전극조립체 부분에 플레이트 압력이 집중되는 것을 막을 수 있다. 결국, 이런 플레이트의 단차홈에 의해 실질적으로 전극조립체의 넓은 외면 전반을 고르게 압착하여 전극조립체의 전극판과 폴리머 전해질 사이의 접촉면적을 늘이고, 전극판 사이의 간격을 좁혀 이온전도성을 높이고, 내부 저항을 낮출 수 있다. 도면의 참조번호 313은 플레이트(310)을 조합하여 베어셀을 압박하기 위해 볼트류 등과 결합되어 함께 사용되는 홀을 나타낸다.

본 발명에 따르면, 폴리머 베어셀을 채용하는 전지팩에서 전극조립체 전반에 압력을 가하여 전극과 전해질 사이의 접촉면적을 늘리고, 전극 사이의 간격을 줄여 이온전도도를 높임으로써 폴리머 전지팩의 내부저항을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명은 전지 내에서 전해질과 전극 사이의 틈이 생겨 충방전에 기여하지 못하는 부분을 이루어 전지 용량을 떨어뜨리고, 덴트라이트 등을 형성시켜 수명을 떨어뜨리는 문제점을 예방할 수 있다.

Claims (12)

1. 전극탭이 설치된 두 전극 및 폴리머 전해질을 포함하고, 대면적이 서로 나란하도록 설치되는 복수의 폴리머 베어셀;

   상기 폴리머 베어셀을 사이에 두고 상기 폴리머 베어셀의 두 대면적면에 압력을 가할 수 있도록 상기 폴리머 베어셀의 양측에 설치되는 두 개의 판재; 및

   상기 판재 사이의 거리를 조절하여 상기 폴리머 베어셀에 가해지는 압력을 조절하는 간격 조절 장치;

   를 구비하고, 상기 두 개의 판재와 별도로 상기 복수개의 폴리머 베어셀 사이에 적어도 하나의 판재가 상기 두 개의 판재와의 거리를 조절할 수 있도록 설치되는 폴리머 전지팩.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 판재들 가운데 적어도 하나는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머 전지팩.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 판재에는 주변에 홀이 형성되고,

   상기 간격 조절 장치는 상기 홀을 관통하며 외면에 나사산이 형성된 로드 및 상기 판재 각각의 위치를 한정하는 위치 고정 수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머 전지팩.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 위치 고정 수단은 볼트 머리, 너트, 스크류 가운데 하나 혹은 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머 전지팩.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 판재는 상기 폴리머 베어셀과 접하는 부분 가운데 상기 폴리머 베어셀의 전극탭과 겹치는 위치에 단차 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 전지팩.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 폴리머 베어셀의 충방전을 조절하는 보호회로모듈이 더 구비되고,

   상기 전극탭은 상기 보호회로모듈과 전기접속됨을 특징으로 하는 폴리머 전지팩.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 폴리머 베어셀의 폴리머 전해질을 형성하는 폴리머화는 상기 폴리머 베어셀과 상기 판재 및 상기 간격 조절 장치가 결합된 상태에서 이루어진 것을 특징으로 하는 폴리머 전지팩.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 폴리머 전해질은 상기 두 전극 가운데 적어도 어느 한 전극의 표면에 일체로 적층 형성된 것을 특징으로 하는 폴리머 전지팩.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 폴리머 전해질은 폴리머, 리튬염, 가소제용 유기용매를 포함하는 겔형 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머 전지팩.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 판재 가운데 적어도 하나는 상기 간격 조절 장치에서 완충재를 통해 일정 범위에서 이동 가능하게 설치되어 상기 폴리머 베어셀의 용적 변화에 따라 상기 판재 사이의 간격이 변동될 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리머 전지팩.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 판재에는 주변에 홀이 형성되고,

    상기 간격 조절 장치는 상기 홀을 관통하며 외면에 나사산이 형성된 로드 및 상기 판재 각각의 위치를 한정하기 위한 위치 고정 수단을 구비하며,

    상기 위치 고정 수단과 상기 판재 사이에는 상기 완충재로서 스프링이 설치되는 것을 특징으로 하는 폴리머 전지팩.

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