KR100888283B1 - 우수한 구조적 안정성의 이차전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지셀과 전지셀 상단의 장착부재가 특정한 체결구조를 통해 결합되는 이차전지 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재, 및 안전소자가 탑재된 상태에서 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며, 상기 전지케이스의 상단면에는 적어도 하나의 체결홈이 형성되어 있고, 상기 장착부재에는 상기 체결홈에 연통되는 관통홈이 형성되어 있으며, 절연성 캡의 외부로 노출되지 않은 상태로 상기 체결홈과 관통홈에 연속하여 체결부재를 삽입함으로써 전지셀에 대한 장착부재의 결합이 이루어지는 구조의 이차전지 팩을 제공한다.

Description

우수한 구조적 안정성의 이차전지 팩 {Secondary Battery Pack Having Excellent Structural Stability}
도 1과 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 전지셀과 절연성 장착부재의 결합 전과 후의 구조에 대한 정면도들이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 분해 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 의한 전지셀 상단에 대한 부분 사시도이다;
도 5는 본 발명에 따른 절연성 장착부재 상에 탑재되는 안전소자에 대한 사시도이다;
도 6 내지 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 일련의 조립과정을 단계적으로 나타낸 부분 정면도들이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩에 대한 모식도이다;
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 의해 완성된 이차전지 팩에 대한 사시도이다;
도 12 및 13은 본 발명의 실험예 1에 대한 실험과정을 나타낸 사진들이다;
도 14 및 15는 본 발명의 실험예 2에 대한 실험과정을 나타낸 사진들이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 전지셀 110: 체결홈
200: 절연성 장착부재 210: 관통홈
230: 금속 핀 300: 안전소자
400: 절연성 캡
본 발명은 전지셀과 전지셀 상단의 장착부재가 특정한 체결구조를 통해 결합되는 이차전지 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재, 및 안전소자가 탑재된 상태에서 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며, 상기 전지케이스의 상단면에는 적어도 하나의 체결홈이 형성되어 있고, 상기 장착부재에는 상기 체결홈에 연통되는 관통홈이 형성되어 있으며, 절연성 캡의 외부로 노출되지 않은 상태로 상기 체결홈과 관통홈에 연속하여 체결부재를 삽입함으로써 전지셀에 대한 장착부재의 결합이 이루어지는 구 조의 이차전지 팩을 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
그러나, 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 리튬 이차전지에는 과충전 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 보호회로모듈(PCM)이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.
일반적으로 PCM은 니켈 플레이트 등의 도전성 소재를 사용하여 결합력이 강한 용접 또는 솔더링 방식으로 전지셀에 연결된다. 하지만, 상기 용접 또는 솔더링 방식은 고도의 기술을 요하는 작업으로 숙련된 기술자를 확보해야 하고 넓은 작업 공간이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 또한, 전지셀에 물리적 충격이 가해질 경우, 전기적 쇼트 등을 유발하여 발화 및 폭발 등 안전성에 문제를 일으킬 수 있다.
따라서, 상기 용접 또는 솔더링 방식의 장점을 유지하면서 단점을 보완할 수 있는 다양한 기술들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2004-335387호에는 회로기판과 일체화된 회로기판 블록의 양단에 관통구가 형성되어 있으며, 상기 관통구에 금속제의 봉상의 연결부재를 삽입하여 전지 셀의 상단면에 접촉시킨 후, 전지셀의 상단과 저항용접에 의해 결합되는 구조가 개시되어 있다.
그러나, 상기 기술은 봉상의 연결부재를 전지셀 상단에 부착하기 위하여 여전히 용접 방식을 사용하기 때문에 작업 공정의 난이성 및 안전성 문제를 그대로 안고 있다.
또한, 일본 특허출원공개 제2004-071345호에는 전지케이스 상단면에는 암형의 체결구조가 형성되어 있고, 판상형의 보호회로 기판의 양측면에는 관통구가 형성되어 있으며, 보호회로 기판을 전지케이스 상단에 탑재한 상태에서 나사를 이용하여 상기 관통구를 통해 암형 체결구조와 결합하는 구조가 개시되어 있으며, 일본 특허출원공개 제2006-04783호에는 전지셀 상단에 체결돌기를 형성하고, 보호회로 모듈 하단에는 대응하는 암형의 체결구를 형성하며, 상기 체결돌기를 암형의 체결구에 압입하는 구조가 개시되어 있다.
그러나, 상기의 기술들은 전지 셀의 상단에 수형의 체결돌기를 부착하여야 하는 번거로움이 있으며, 상기 체결돌기의 부착방식으로 용접 방식을 채택하고 있으므로, 용접 범위가 줄어든다는 장점은 있으나, 여전히 전기 화학적 반응을 일으키기 쉬운 전지셀에 대한 용접 공정은 전지셀의 안전성을 크게 위협하는 요소로 작용하게 된다.
또한, 한국 특허출원공개 제2006-32591호에는 배터리 코어의 상단에 보호회로 기판을 지지하기 위한 '구조 지지대'를 삽입한 상태에서 상부 커버를 장착하고, 상기 배터리 코어 상단에는 포지션 홀과 나사 홀을 구비하며, 상부 커버에는 하단 의 포지션 노치와 나사 개구부가 구비되어 있으며, 상기 포지션 노치를 포지션 홀에 결합하고, 별도의 나사를 나사 개구부를 관통하여 나사 홀에 체결하는 것으로 구성되는 이차전지가 개시하고 있다.
그러나, 상기 기술은 전지셀의 단자와 보호회로 기판 사이의 전기적 절연을 위해 별도의 부재를 삽입해야 하고 전극단자와의 전기적 연결을 위해 접속 핀 등의 접속부재가 필요하므로, 조립 공정이 복잡해지는 단점을 가지고 있다. 이와 같이 절연성/전도성 부재를 추가로 장착하는 것은 조립 공정을 복잡하게 하고, 용접 방식을 사용하는 경우에는 작업 공정을 어렵게 하고 전지셀의 안전성을 저해한다는 치명적인 문제점이 있다. 더욱이, 체결을 위한 나사의 일부분이 외부로 노출되어 있어서 단락의 위험성이 존재할 뿐만 아니라, 전지의 외관상 신뢰성을 크게 저하시켜 실제 제품의 선택과정에서 큰 장애 요인으로 작용한다.
따라서, 전지셀의 상단에 장착되는 부재의 수를 감소시켜 조립공정을 단순화할 뿐만 아니라 전지셀과 장착 부재 사이에 무용접 방식의 안정적인 결합 강도를 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지셀과 상단에 탑재되는 절연성 장착부재 사이를 특정한 형태의 체결 구조에 의해 결합 하는 것으로 이차전지 팩을 구성하는 경우, 조립 공정을 크게 단순화시킬 수 있으며, 전지셀 제작 공정상의 안전성을 확보하면서, 동시에 향상된 결합강도를 유지할 수 있는 잇점을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 전지셀과 전지셀 상단의 장착부재가 특정한 체결 구조를 통해 결합되는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 이차전지 팩은,
양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀;
상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재; 및
안전소자가 탑재된 상태에서 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
을 포함하고 있으며,
상기 전지케이스의 상단면에는 적어도 하나의 체결홈이 형성되어 있고, 상기 장착부재에는 상기 체결홈에 연통되는 관통홈이 형성되어 있으며, 절연성 캡의 외부로 노출되지 않은 상태로 상기 체결홈과 관통홈에 연속하여 체결부재를 삽입함으로써 전지셀에 대한 절연성 장착부재의 결합이 이루어지는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지 팩은, 전극조립체가 내장된 전지셀, 안전소자가 상부에 탑재되고 전지셀의 상단면에 밀착되는 절연성 장착부재, 및 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며, 전지셀의 상단면과 절연성 장착부재 사이의 결합은 체결홈과 그에 대응하는 관통홈에 체결부재를 삽입하여 이루어진다.
상기 전지케이스는 가공상의 용이성과 일정 수준 이상의 기계적 강도가 요구되므로, 금속 소재의 캔일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 캔일 수 있다.
상기 절연성 장착부재는 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로서 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성의 소재로 이루어져 있다. 본 발명의 하나의 실시예로서, 상기 절연성 장착부재는 전지셀의 상단면과 대략 일치하는 크기를 가지며, 중앙에 전지셀의 제 1 전극단자가 노출되는 제 1 개구와, 상기 제 1 개구로부터 소정의 이격거리에 전지셀의 케이스 상단면의 일부(제 2 전극단자)가 노출되는 제 2 개구가 형성되는 구성일 수 있다. 또한, 상기 장착부재의 양측 단부는 안전소자의 장착공간을 확보하기 위해서 소정의 높이로 상향 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
상기 안전소자는 전지의 과충전, 과방전 및 과전류를 제어하는 보호회로를 포함하고 있는 모듈(PCM: Protection Circuit Module)과, 장방형의 모듈 하단에 장착되어 있는 보호회로와 전기적으로 연결되어 있는 한 쌍의 접속부재를 포함하는 것으로 구성될 수 있으며, 예를 들어, PTC 소자, 퓨즈, 및 보호회로 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것으로 구성될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 안전소자는 PTC 소자 및 보호회로 기판이며, PTC 소 자의 일측 단부를 전지셀의 제 1 전극단자에 연결한 후 타측 단자를 보호회로 기판에 연결하며, 전지셀의 제 2 전극단자를 보호회로 기판에 연결하는 구조일 수 있다.
바람직하게는, 상기 PTC 소자와 보호회로 기판의 전기적 연결(a) 및 전지셀의 제 2 전극단자와 보호회로 기판의 전기적 연결(b)은 가변성의 접속부재에 의해 수행하는 것으로 구성될 수 있다. 특히, 상기 보호회로 기판에 전기적 연결(a)을 위한 접속부재와 전기적 연결(b)을 위한 접속부재를 각각 결합시킨 후, 상기 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 각각 결합시키는 구조가 바람직하다.
상기 접속부재는 가변성의 전도성 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 니켈 플레이트일 수 있다.
상기 보호회로 기판을 전지셀의 상단면에 대략 90도 이상의 각도로 위치시킨 상태에서 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 결합시킨 후, 가변성 접속부재들을 절곡하여 보호회로 기판이 전지셀의 상단면에 평행하게 장착부재에 탑재될 수 있도록, 상기 접속부재들은 절곡 부위가 동일한 일 측면을 향하도록 보호회로 기판에 결합되는 구조일 수 있다.
예를 들어, 판상형의 보호회로 모듈(PCM)을 전지셀의 상단면에 대해 수직 방향으로 위치시킨 상태에서, 니켈 플레이트들을 전극단자에 스팟 용접으로 결합시킨 후, 보호회로 모듈이 전지셀의 상단면에 평행하게 장착부재 상에 탑재될 수 있도록 상기 니켈 플레이트들을 절곡하여 결합하는 구조일 수 있다.
상기 체결부재는, 체결홈과 관통홈에 삽입되어 일정 수준 이상의 기계적 강 도를 발휘하는 부재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 금속 핀일 수 있다.
상기 금속 핀은 체결홈의 직경과 거의 동일하거나 그보다 작은 크기의 외경을 가지도록 구성하여, 전지케이스의 체결홈에 억지끼움 방식으로 결합되는 구조가 바람직하다. 상기 억지끼움 방식이란, 금속 핀을 체결홈와 관통홈의 입구에 정위치시킨 상태에서, 망치 등을 이용하여 상부에서부터 외력을 가하여 금속 핀을 체결홈에 삽입시키는 방식을 칭한다.
또한, 금속 핀은 길이 방향으로 삽입되므로, 체결홈, 관통홈과 금속 핀 사이의 결합구조는 전지셀에 대한 수직방향의 충격에 비해 길이방향의 장력에 대해서는 상대적으로 취약할 수도 있다. 따라서, 상기 체결홈 및/또는 관통홈에 접착제를 주입한 상태에서 금속 핀을 삽입시킴으로써 이러한 취약점을 보완할 수 있다.
경우에 따라서는, 체결부재에 의한 결합력을 보완하기 위하여, 전지셀의 상단면 또는 절연성 장착부재의 하단면에 접착제를 부가할 수도 있음은 물론이다.
금속 핀은 절연성 캡의 외부로 노출되지 않는 길이를 가지며, 예를 들어, 절연성 부재 중 관통홈 길이와 전지케이스 중 체결홈 깊이의 합과 대략 대응하는 길이이거나 또는 그보다 약간 큰 것이 바람직하다.
상기 절연성 캡은 전지셀을 외부의 충격으로부터 보호하고, 전지셀 상단에 장착되는 부재들에 대한 기계적 강도를 보완함과 동시에, 전기적 절연상태를 유지하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 상기 절연성 캡은 전지셀 상에 장착된 상태에서 그것의 적어도 일부가 전지셀의 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이 로 하향 연장되는 구조일 수 있다. 이러한 효과를 극대화하기 위하여, 상기 절연성 캡의 하향 연장부는 전지셀의 상단부 외측면에 접착 방식 또는 기계적 체결 방식으로 결합되어 있는 구조가 바람직하다.
상기 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡 이외에 하단부에도 별개의 절연성 캡(하단 캡)이 장착되는 구조일 수 있으며, 상기 전지셀의 케이스 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 구조일 수 있다. 이를 통해 외부 충격으로부터 전지셀을 보호하고 전기적 절연상태를 유지할 수 있다. 바람직하게는 상기 외장 필름은 절연성 캡의 하향 연장부를 감싸는 구조로 부착되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 팩은, 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용가능하며, 바람직하게는 각형의 리튬 이차전지 셀일 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1과 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 전지셀과 절연성 장착부재의 결합 전과 후의 형상에 대한 정면도가 도시되어 있다.
도 1과 2를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 전지셀(100)의 상단에는 다수의 체결홈(110)이 형성되어 있고, 절연성 장착부재(200)에는 체결홈(110)에 연통되는 관통홈(210)이 형성되어 있으며, 상기 체결홈(110)과 관통홈(210)에 연속하여 삽입되는 금속 핀(230)을 포함하고 있다.
전지셀(100)은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(도시하지 않음)가 전해 액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있으며, 상단에는 전극단자들이 형성되어 있다. 절연성 장착부재(200)는 절연성의 부재로, 전지셀(100)에 대한 전기적 절연성을 유지하면서 전극단자들이 노출될 수 있는 개구(도시되지 않음)가 형성되어 있다. 절연성 장착부재(200)에는 체결홈(110)에 연통되는 관통홈(210)이 형성되어 있으며, 체결홈(110)과 관통홈(210)에 연속하여 금속 핀(230)을 삽입함으로써 전지셀(100)에 대한 절연성 장착부재(200)의 결합이 이루어진다.
금속 핀(230)은 체결홈(110)의 내경과 동일하거나 그보다 약간 큰 크기의 외경을 가지며, 체결홈(110)에 대해 억지끼움 방식으로 삽입되어, 안정적인 결합 상태를 제공한다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지 팩(500)은, 전지셀(100), 절연성 장착부재(200), 안전소자로서의 보호회로 기판(310)과 PTC 소자(320), 절연성의 상/하단 캡(400, 410), 및 외장 필름(140)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
전지셀(100)의 상단면에는 그것의 양측 단부에 절연성 장착부재(200)와의 결합을 위한 한 쌍의 체결홈(110)이 형성되어 있다.
절연성 장착부재(200)는 전지셀(100)의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 양측 단부는 안전소자로서의 보호회로 기판(310)과 PTC 소자(320)가 상부에 탑재될 수 있도록 소정의 높이로 상향 돌출되어 있으며, 전지셀(100)의 상단면에 직접 밀착되도록 장착된다. 또한, 절연성 장착부재(200)에는 전지셀(100)의 체결홈(110)에 연통되는 관통홈이 형성되어 있으며, 금속 핀(230)이 이러한 체결홈(110)과 관통홈에 삽입된다.
절연성 상단 캡(400)은 안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(200)를 감싸면서 전지셀(100)의 상단부에 결합되며, 전지셀(100)의 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되어 있고, 상단면 일측에는 A/S 라벨(420)이 부착된다. 전지셀(100)의 하단에는 하단 캡(410)이 접착성의 하단 캡 테이프(411)에 의해 부착되고, 전지셀(100)의 외주부는 절연성의 외장 필름(140)에 의해 도포된다. 안전소자의 더욱 상세한 구조는 이하 도 5에서 살펴본다.
도 4에는 도 3의 전지셀에서 그것의 상단부 구조가 확대도로서 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전지셀(100) 상단면은 중앙에 돌출단자로의 음극단자(120)가 형성되어 있고, 전지케이스 자체가 양극을 형성하며, 음극단자(120)는 절연성 부재(121)에 의해 전기적으로 절연되어 있다. 따라서, 소정 부위에 니켈 클래드(clad)를 부착하여 양극단자(130)를 형성하며, 금속 핀에 의해 절연성 장착부재(도 3의 200)와 결합할 수 있도록, 전지셀 상단면의 양측 단부에는 한 쌍의 체결홈들(110)이 형성되어 있다.
도 5에는 본 발명에 따른 절연성 장착부재 상에 탑재되는 안전소자의 하나의 예시적인 구조에 대한 사시도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 안전소자(300)는 보호회로 기판(310) 및 PTC 소자(320)를 포함하고 있으며, 보호회로 기판(310)은 전지의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어 하기 위한 보호회로(도시하지 않음)가 에폭시 복합체의 장방형 구조물에 인쇄되어 있는 PCB(Printed Circuit Board) 구조로 이루어져 있다. 보호회로 기판(310)의 하단에는 그러한 보호회로에 전기적으로 연결되어 있는 접속부재로서 한 쌍의 니켈 플레이트들(331, 332)이 결합되어 있고, 이들은 각각 보호회로 기판(310)의 음극과 양극에 전기적으로 연결된다.
따라서, PTC 소자(320)의 일측 단자를 전지셀(도시하지 않음)의 음극단자에 연결하고 타측 단자를 보호회로 기판(310)의 음극에 연결하며, 전지셀의 양극단자를 보호회로 기판(310)의 양극에 직접 연결함으로써, 안전소자(300)와 전지셀의 전기적 연결을 달성한다.
도 6 내지 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 일련의 조립 과정을 단계적으로 보여주기 위한 부분 정면도들이 도시되어 있다.
우선, 도 6을 참조하면, 전지셀(100)의 상단면의 양측 단부에는 한 쌍의 체결홈들(110)이 형성되어 있고, 절연성 장착부재(200)에는 체결홈(110)에 연통되는 관통홈(210)이 형성되어 있으며, 체결홈(110)과 관통홈(210)에 연속하여 금속 핀(230)을 삽입함으로써 전지셀(100)에 대한 장착부재(200)의 결합이 이루어진다. 앞서 설명한 바와 같이, 체결홈(110)에 대한 금속 핀(230)의 결합은 억지끼움 방식으로 행해지므로 그 자체로서 높은 결합 강도를 나타내며, 경우에 따라서는 접착제를 체결홈(110) 및/또는 관통홈(210)에 주입하거나, 또는 절연성 장착부재(200)의 하단면 또는 전지셀(100)의 상단면에 접착제를 부가함으로써, 상기 결합 강도를 보강할 수도 있다.
그런 다음, 도 7 및 8에서 보는 바와 같이, 보호회로 기판(310)과 PTC 소자(320)를 포함하는 안전소자(300)를 절연성 장착부재(200) 상에 탑재한다. 구체적으로, 보호회로 기판(310)을 전지셀(100) 상단면에 대해 수직 방향으로 위치시킨 상태에서, 앞서 설명한 바와 같이, 보호회로 기판(310)의 음극에 연결되어 있는 PTC 소자(320)의 타측 단자를 전지셀(100)의 음극단자(120)에 연결하고, 보호회로 기판(310)의 양극을 전지셀(100)의 양극단자(130)에 직접 연결한다. 이 때, PTC 소자(320)와 보호회로 기판(310)의 전기적 연결과 전지셀(100)의 양극단자와 보호회로 기판(310)의 전기적 연결은 니켈 플레이트들(331, 332)을 사용하여 수행하게 된다. 니켈 플레이트들(331, 332)의 결합 위치 및 결합된 상태의 절곡 형상은 도 3에서도 확인할 수 있다.
마지막으로, 도 9를 참조하면, 절연성 캡(400)은 안전소자(도시하지 않음)가 탑재된 상태에서 장착부재(200)를 감싸면서 전지셀(100)의 상단부에 결합되며, 절연성 캡(400)의 하향 연장부는 전지셀(100) 상단부의 외측면을 감싸면서 기계적 체결을 이루게 된다.
도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩에 있어서, 상단 캡과 하단 캡이 전지셀에 탑재되어 있는 모습을 모식적으로 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 전지셀(100)의 상단에 탑재되는 절연성 캡(400) 외에, 전지셀(100)의 하단부에는 또 다른 절연성 캡(하단 캡; 410)이 결합되어 있다. 즉, 전지셀(100)의 하단면에는 양면에 접착성이 있는 하단 캡 테이프(411)가 부착되어 있으며, 하단 캡 테이프(411)에 의해 결합되는 절연성의 하단 캡(410)이 추가로 탑재되어 있다.
도 11에는 본 발명의 하나의 실시예에 의해 완성된 이차전지 팩에 대한 사시도가 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 이차전지 팩(500)은 전지셀의 상단부에 안전소자, 절연성 장착부재를 탑재한 상태에서, 절연성의 상단 캡(400), 외장 필름(140), 및 하단 캡(도시하지 않음)에 의해, 외부 입출력 단자부를 제외한 나머지 부분은 외부와 전기적으로 절연상태가 된다.
또한, 상기 전지셀 상단면의 체결홈과 그에 대응하는 체결돌기의 형상, 위치, 및 개수는 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
양극은 일반적으로 알려진 조성으로 리튬 코발트 산화물, PVdF 및 도전재의 슬러리를 알루미늄 호일에 코팅하여 제조하였고, 음극은 일반적으로 알려진 조성으로 흑연, PVdF 및 도전재의 슬러리를 구리 호일에 코팅하여 제조하였다.
상기 양극과 음극 사이에 그것들 보다 다소 큰 크기로 재단된 분리막을 개재 시켜 전극조립체를 조립하고, 각형의 알루미늄 전지 캔 내부에 전극조립체를 장착하였다. 전지 캔 뚜껑을 덮고 주입구를 통해 전해액을 주입하고 주입구를 밀봉하여 전지셀을 제작하였다.
도 3에서와 같이, 전지셀의 상단면의 양측 단부에 각각 형성되어 있는 체결홈의 위치에 관통홈이 형성되어 있는 절연성 장착부재를 탑재하고, 금속 핀을 상기 관통홈에 삽입한 후 연속하여 체결홈에 억지끼움 방식으로 결합시켜, 절연성 장착부재를 전지셀에 결합시켰다.
그런 다음, 상기 절연성 장착부재 상에 보호소자를 연결한 후, 절연성의 상단 캡과 하단 캡을 결합하고 외장 필름으로 전지셀의 외주면을 감쌈으로써 이차전지 팩을 완성하였다.
[비교예 1]
상기 전지셀의 상단면과 장착부재에 체결홈과 관통구를 형성하지 않고 금속 핀 역시 삽입하지 않은 상태에서, 접착제 만을 도포하여 전지셀과 장착부재를 결합시켰다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지 팩을 완성하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 20 개의 전지팩들에 대해 굴곡 테스트(bending test)를 실시하여 전지셀과 탑재된 절연성 장착부재 간의 결합 강 도를 측정하였다(도 12 및 13 참조). 즉, 이차전지 팩의 상단 캡과 하단 캡 부분을 고정한 상태에서, 중앙 부위에 가해지는 하중을 단계적으로 증가시켜, 전지팩이 파단될 때의 하중 크기를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure 112006076059030-pat00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 각 실시예들에 따른 전지팩은 비교예 1에 비하여 결합력이 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있다.
즉, 비교예 1에 의한 전지팩들은 35 kgf 이하의 하중이 가해지면 파단되고 그 중 대부분은 30 kgf 이하의 하중도 견디지 못하는데 반해, 실시예 1의 전지팩들은 45 kgf 이상의 하중이 가해져야 파단되고 경우에 따라서는 55 kgf의 하중에도 견딜 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 비교예 1의 경우에 전지셀과 절연성 장착부재 간의 결합은 사용되는 접착제의 접착력을 초과하는 충격이 가해지면 파단됨에 반하여, 실시예 1의 경우에는 상대적으로 적은 양의 접착제를 사용하거나 또는 접착제를 사용하지 않은 경우라도 체결구와 관통구에 연속적으로 삽입되어 있는 금속 핀을 통해 억지끼움 방식으로 결함을 이룸으로써, 현저하게 상승된 결합력을 유지할 수 있기 때문이다.
[실험예 2]
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 20 개의 전지팩들에 대해 트위스트 테스트(twist test)를 실시하여 전지셀과 탑재된 절연성 장착부재 간의 결합 강도를 측정하였다(도 14 및 15 참조). 즉, 이차전지 팩의 상단 캡을 고정한 상태에서, 하단 캡을 한쪽 방향으로 외력을 가하여 비틀었다. 이 때, 가해주는 외력을 점진적으로 증가시켜 전지셀과 상부에 탑재된 절연성 장착부재 사이가 파단될 때의 외력의 크기를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
<표 2>
Figure 112006076059030-pat00002
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 각 실시예들에 따른 전지팩은 비교예 1에 비하여 결합력이 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있다.
즉, 비교예 1에 의한 전지팩들은 25 kg·cm 이하의 외력이 가해지면 파단되는데 반해, 실시예 1의 전지팩들은 최소 35 kg·cm 이상의 외력이 가해져야 파단되고 대부분의 전지팩들은 40 kg·cm 이상의 외력이 가해져야 파단됨을 확인할 수 있다. 이는 접착체 만을 사용하여 전지셀과 장착부재 간의 결합을 형성하는 비교예 1에 비 하여, 실시예 1의 경우에는 체결구와 관통구에 연속적으로 삽입되어 있는 금속 핀에 의해 결합하기 때문이며, 특히 비트는 힘이 가해지는 경우에 현저하게 상승된 결합력을 갖게 됨을 확인할 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 조립 공정을 크게 단순화시킬 수 있으며, 제작공정에서 전지셀에 대한 안전성을 향상시키면서 동시에 안정적인 결합강도를 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 체결부재가 전지의 외부로 노출되지 않음으로써, 외관상 제품의 신뢰성을 높이고 단락의 위험성을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀;
    상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재; 및
    안전소자가 탑재된 상태에서 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에결합되는 절연성 캡;
    을 포함하고 있으며,
    상기 전지케이스의 상단면에는 적어도 하나의 체결홈이 형성되어 있고, 상기 장착부재에는 상기 체결홈에 연통되는 관통홈이 형성되어 있으며, 절연성 캡의 외부로 노출되지 않은 상태로 상기 체결홈과 관통홈에 연속하여 체결부재를 삽입함으로써 전지셀에 대한 절연성 장착부재의 결합이 이루어지는 구조의 이차전지 팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재는 전지셀의 상단면과 일치하는 크기를 가지며, 중앙에 전지셀의 제 1 전극단자가 노출되는 제 1 개구와, 상기 제 1 개구로부터 소정의 이격거리에 전지셀의 케이스 상단면의 일부(제 2 전극단자)가 노출되는 제 2 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재의 양측 단부는 소정의 높이로 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 안전소자는 PTC 소자, 퓨즈, 및 보호회로 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 안전소자는 PTC 소자 및 보호회로 기판이며, PTC 소자의 일측 단부를 전지셀의 제 1 전극단자에 연결한 후 타측 단자를 보호회로 기판에 연결하며, 전지셀의 제 2 전극단자를 보호회로 기판에 직접 연결하는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 PTC 소자와 보호회로 기판의 전기적 연결(a) 및 전지셀의 제 2 전극단자와 보호회로 기판의 전기적 연결(b)은 가변성의 접속부재에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 보호회로 기판에 전기적 연결(a)을 위한 접속부재와 전기적 연결(b)을 위한 접속부재를 각각 결합시킨 후, 상기 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 각각 결합시키는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 보호회로 기판을 전지셀의 상단면에 90도 이상의 각도로 위치시킨 상태에서 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 결합시킨 후, 가변성 접속부재들을 절곡하여 보호회로 기판이 전지셀의 상단면에 평행하게 장착부재에 탑재될 수 있도록, 상기 접속부재들은 절곡 부위가 동일한 일 측면을 향하도록 보호회로 기판에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 접속부재는 니켈 플레이트인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 체결부재는 금속 핀인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 금속 핀은 전지케이스의 체결홈에 억지끼움 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 금속 핀을 결합시키기 전에 상기 (i) 체결홈, 또는 (ii) 관통홈, 또는 (iii) 체결홈 및 관통홈에 접착제를 주입하는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 캡은 전지셀 상에 장착된 상태에서 그것의 적어도 일부가 전지셀의 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 절연성 캡의 하향 연장부는 전지셀의 상단부 외측면에 접착 방식 또는 기계적 체결 방식으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 하단부에는 또 다른 절연성 캡(하단외장 캡)이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  17. 제 1 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 전지셀의 케이스 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 외장 필름은 절연성 캡의 하향 연장부를 감싸는 구조로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형의 리튬 이차전지 셀인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
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