KR101075349B1 - 파우치형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파우치 케이스 내에 별도의 보강 부재를 삽입하여 외부 충격으로부터 전지를 보호하여 파우치형 이차전지의 신뢰성을 향상시키는 한편, 충방전에 따른 전극 조립체의 변형을 방지할 수 있어 수명 성능이 향상되며, 별도의 하드 케이스 없이도 전지의 보호가 가능하므로 전지의 두께를 얇게 제조할 수 있어, 수요자들의 다양한 요구에 부합할 수 있는 파우치형 이차전지를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 보강 부재는 보강 부재의 측면에 전해액 주입 통로를 두어 전해액의 주입을 용이하게 하였으면, 상부 보강 부재와 하부 보강 부재의 접촉면에 서로 맞물리는 돌출부를 두어 별도의 지지 부재 없이도 보강 부재가 조립 전극체를 지지할 수 있게 하였다.

파우지, 보강 부재, 돌출부, 이차전지

Description

파우치형 이차전지{Pouch type rechargeable battery}

도 1는 종래의 발명에 따라 보강 부재없이 파우치 케이스에 전극 조립체가 직접 삽입되는 것을 나타내는 사시도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 부재에 전극 조립체가 삽입된 상태를 나타낸 사시도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 부재에 전극 조립체를 삽입하는 상태를 나타내는 사시도,

도 4a~4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 박스형 보강 부재를 나타내는 사시도,

도 5a~5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 장타원형 보강 부재를 나타내는 사시도,

도 6a~6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 부재의 측면에 형성되는 전해액 주입 통로를 나타내는 측면도,

도 7a~7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 부재의 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 전극 조립체 21a: 양극 탭

21b: 음극 탭 12: 전극 테이프

13, 13', 13", 23, 23', 23": 상부 보강 부재

14, 14', 14", 24, 24', 24" 하부 보강 부재

15, 25, 35: 전해액 주입 통로

16: 탭 연결 홈

17, 27, 37, 47: 보강 부재 돌출부

20: 보강 부재 100: 파우치 케이스　

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 상세하게는 파우치 외장재를 가지는 이차전지에 있어서 그 파우치 내에 보강 부재를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.

이차 전지는 충전과 방전을 거듭하여 반복 사용할 수 있으므로 일회용 전지에 비해 경제적이며, 근래에는 적은 부피에 고용량을 구비할 수 있게 되면서 셀룰러폰, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등 휴대용 전기 전자 기기의 전원으로 많이 사용된다.

이들 이차전지는 대개 캔 형으로 형성된다. 캔은 통상 금속으로 형성된다. 원통형 혹은 직육면체형의 캔의 일 측면은 통상 개방된 상태로 형성된다. 이 개방된 부분을 통해 캔 내부에 전극 조립체 및 전해질을 넣고, 그 개방된 면에 해당하는 크기와 형상을 가진 캡 조립체로 캔을 마감하여 밀봉된 베어 셀을 형성한다.

한편, 리튬 이차 전지는 리튬과 수분의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 이 전해질은 리튬염을 함유하는 고체 폴리머의 형태가 될 수 있고, 리튬염이 유기 용매에서 해리된 액상이거나, 액상의 전해질이 세퍼레이터에 함침된 형태일 수 있다. 특히, 세퍼레이터 역할을 동시에 하는 고체 폴리머 전해질이나 세퍼레이터에 함침된 전해질을 사용할 경우 누액의 위험이 적으므로 전극 조립체 및 전해질의 케이스로 파우치가 사용될 수 있다.

파우치는 주로 금속으로 이루어지는 캔에 비해 가볍고, 부피도 덜 차지하며, 전지의 형상이나 기기 내 설치 방법에서 융통성을 가질 수 있다는 점에서 이차전지로서 유리하다.

파우치형 이차 전지에서는 파우치에 전극 조립체를 넣고 밀봉하면서, 전극에 연결된 탭을 이용하여 파우치 내부의 전극과 외부를 잇는 전기 통로를 확보하게 된다. 파우치 밀봉이 이루어져 형성된 베어 셀(bare cell)에는 탭을 이용하여 보호 회로 기판(PCM: protecting circuit module) 이나 PTC(positive temperature coefficient) 같은 부속품 혹은 구조체가 연결되어 코어 팩(core pack)이 형성된다. 코어 팩을 하드 케이스에 내장하여 결합시키면 완성된 하드 팩 전지가 형성된다.

상기 구성을 갖는 파우치 전지를 제조하는 방법을 살펴보면, 도 1을 참조하면, 전극 조립체가 수용될 홈(21)이 형성되는 파우치의 제2 수용부(20)와 홈(21)을 덮게 되는 파우치의 제1 수용부(10)가 형성된다. 홈(21)은 프레스(press) 가공 등을 통해 형성되며, 파우치의 형태에 따라서는 홈이 형성되지 않을 수 있다. 홈 형 성을 위한 프레스 가공을 할 때 전극 조립체(30)가 수용되는 홈외에 디개싱(degassing) 작업을 위한 가스방출용 홈(미도시)이 더 형성될 수 있다.

통상의 전극 조립체(1)는 양극, 세퍼레이터, 음극의 순서로 적층된 다층막을 와형으로 권취하여 젤리롤(Jelly Roll)로 형성한다. 젤리롤을 권취 형성할 때 양극과 음극의 단락을 막기 위해 롤의 외부로 드러나는 전극면에는 세퍼레이터가 덧붙여진다. 젤리롤이 파우치의 하부 홈(21)에 놓여지면, 정면 플랜지(23)를 밀착시킨 상태에서 플렌지 형태로 홈 부분에서 외측으로 돌출되는 가장 자리부(23)를 가열 가압하여 파우치 밀봉을 실시한다. 상기 파우치막은 통상 복수의 기능막들로 이루어진다. 3층으로 이루어지는 파우치막에서 중간층 금속막(13)은 통상 알루미늄으로 형성된다. 파우치막 내층(11)을 이루는 열접착층은 통상 CPP(Casted Polypropylene) 층과 같은 열접착성 물질로 이루어지며, 전해질로부터 금속 포일을 보호함과 아울러, 양극과 음극, 그리고 전극 리드들 사이의 단락을 방지한다.

그런데, 상기와 같은 구조의 파우치 케이스는 매우 얇게 형성되어 있기 때문에 내부에 수납된 전극 조립체(1)를 상기 케이스(100)가 보호하기에는 한계가 있다. 특히 이러한 파우치 케이스에 있어서, 케이스로서의 강도를 유지하기 위해 부가되는 금속 박판은 그 두께가 수십 ㎛에 지나지 않으므로 외부의 충격에 취약하다.

또한, 파우치 형태의 베어 셀에 대한 외관보호를 목적으로 하드 케이스를 사용하게 되는데, 하드 케이스를 사출 성형하는 경우, 사출물의 두께가 0.6mm 정도로 두꺼워 최종적인 전지 상품이 커지는 문제가 있다. 이렇게 전지가 커질 경우 전지 를 장착하는 전기 기기의 디자인을 제약하는 요인이 되어 수요자의 다양한 요구에 부합하기 어렵다는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 종래의 파우치 전지의 문제점을 해소하기 위한 것으로,

본 발명에 따르면, 파우치 케이스 내에 별도의 보강 부재를 삽입하여 외부 충격으로부터 전지를 보호하여 파우치형 이차전지의 신뢰성을 향상시키는 한편,

충방전에 따른 전극 조립체의 변형을 방지할 수 있어 수명 성능이 향상되며, 별도의 하드 케이스 없이도 전지의 보호가 가능하므로 전지의 두께를 얇게 제조할 수 있어, 수요자들의 다양한 요구에 부합할 수 있는 파우치형 이차전지를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은

전극 조립체;

파우치 케이스; 및

상기 파우치 케이스 내에 삽입되며, 상기 전극 조립체를 수용하면서, 적어도 하나의 전해액 주입 통로를 구비한 보강 부재를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공한다.

상기 전해액 주입 통로가 측면에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 보강 부재는 박스형 또는 타원기둥형일 수 있다.

상기 전해액 주입 통로는 전해액이 이동할 수 있으면, 어떠한 형태도 가능하 며, 예를 들면 원형, 장타원형, 사각형, 삼각형 또는 직사각형 등이 있다.

상기 보강 부재는 상부에 양극 및 음극 탭이 노출되는 탭 연결 홈을 갖는다.

상기 보강 부재는 금속 재료, 세라믹 또는 유기무기 복합재료가 사용될 수 있으며, 상기 유기무기 복합재료는 무기 필러에 수지 바인더를 혼합하여 제조될 수 있다.

상기 보강 부재는 상부 보강 부재 및 하부 보강 부재로 형성된다.

상기 상부 보강 부재와 하부 보강 부재는 박스형 또는 타원기둥형을 측면으로 절단하거나, 단면으로 절단된 형태일 수 있다. 상기 상부 보강 부재는 용기형 하부 보강 부재의 뚜껑형태일 수 있다.

상기 상부 보강 부재와 하부 보강 부재는 접촉되는 면에 반대형상으로 형성되어 서로 결합하는 돌출부를 포함할 수 있다.

상기 돌출부는 상호 반대 형상이면 어느 것이나 가능하며, 예를 들면 계단형, 반원형, 삼각형, 사선형 등이 있다.

상기 상부 보강 부재와 하부 보강 부재는 상호 맞물려진 돌출부를 융착하여 형성된다.

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

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 부재에 전극 조립체를 삽입한 상태를 나타낸 사시도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 부재에 전극 조립체를 삽입하는 상태를 나타내는 사시도, 도 4a~4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 박스형 보강 부재를 나타내는 사시도, 도 5a~5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 장타원형 보강 부재를 나타내는 사시도, 도 6a~6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 부재의 측면에 형성되는 전해액 주입 통로를 나타내는 측면도, 도 7a~7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 부재의 단면도이다.

종래 파우치 케이스와 비교하기 위하여, 종래 파우치 2차 전지를 제조하는 방법을 도 1을 참조하여 살펴보면, 전극 조립체가 수용될 홈(21)이 형성되는 파우치의 하부케이스 (20)와 홈(21)을 덮게 되는 파우치의 상부 케이스(10)가 형성된다.　 통상의 전극 조립체(1)를 파우치의 제2 수용부의 홈(21)에 놓여지면, 정면 플랜지(23)를 밀착시킨 상태에서 플랜지 형태로 홈 부분에서 외측으로 돌출되는 측부 플랜지(17)를 가열 가압하여 파우치 밀봉을 실시한다.　

이렇게 제조된 파우지 형태의 베어 셀은 외부 충격에 약하여, 이를 보강하기 위해 하드 케이스를 사출 성형하는 경우, 사출물의 두께가 0.6mm 정도로 두꺼워 최종적인 전지 상품이 커지는 문제가 있었다.

그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면 도 2에 도시된 바와 같이 전극 조립체(1)를 보강 부재(20) 내에 삽입한 후 파우치 케이스(미도시)에 삽입한 후, 밀봉하여 제조시 전지의 강도를 증가시켜 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있으며, 특히 외부의 충격, 즉 낙하나 충격에 강하며, 별도의 하드 케이스 없이 바로 라벨만 붙이고도 전지로서 사용이 가능하므로 전지의 완성도가 증가된다.

도 3을 참고로 하여 보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 보강 부재(20)의 상부 보강 부재(13)와 하부 보강 부재(14) 사이에 전극조립체(1)를 삽입하 며, 이때 상기 보강 부재(1) 상부에 형성된 탭 연결 홈(16)에 음극 및 양극 탭(21a, 21b)을 놓이도록 한다. 상하 케이스(13, 14)를 상하 케이스(13, 14)에 형성된 돌출부(미도시)가 상호 맞물리도록 접촉시킨 후, 초음파 융착 등에 의해 돌출부의 일부가 융착되면서 보강 부재(20)가 밀봉된다. 이렇게 형성된 전극 조립체가 수납된 보강 부재를 파우치 케이스(미도시)에 삽입하여 융착한다.

이로서 보강 부재의 형체 유지를 위한 테이프 등의 지지 부재가 불필요하며, 별도의 지지부재에 의해 지지되는 것보다 더욱 강하고 안전하게 전극 조립체를 보호하며, 충방전에 의한 전극 조립체의 변형도 방지할 수 있게 된다.

이후, 파우치 케이스의 측면의 가스 이동로를 통해 주입된 전해액은 상기 보강 부재(20)에 형성된 전해액 주입 통로(15)을 통해 삽입된다. 이로서, 전해액 주입 통로가 별도로 존재하지 않아 전해액 주입이 용이하지 않던 기존의 보강 부재의 단점을 개선하였다. 측면에 형성된 전해액 주입 통로(15)를 통해 측면의 가스 이동로를 통해 주입된 전해액이 더욱 용이하게 주입될 수 있게 되었다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 보강 부재를 나타낸 것이다.

먼저 도 4a~4c를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 부재(20)는 박스 형상을 할 수 있으며, 그 상부 보강 부재(13, 13', 13") 및 하부 보강 부재(24, 24',24")는 도 4a에 도시된 바와 같이 측면으로 절단한 형상, 도 4b에 도시된 바와 같이 정단면으로 절단한 형상 또는 도 4c에 도시된 바와 같이 상부 보강 부재가 하부 보강 부재의 뚜껑을 이루는 형상을 할 수 있다. 상기 보강 부재(20)는 측면에는 전해액 주입 통로(15)을 상부에는 탭 연결 홈(16)을 갖는다. 상기 보강부재는 금속 재료, 세라믹 또는 유기무기 복합재료가 사용될 수 있으며, 상기 유기무기 복합재료는 무기 필러에 수지 바인더를 혼합하여 제조될 수 있다.

도 5a~5c에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 보강 부재(20)의 상부 보강 부재(23, 23', 23") 및 하부 보강 부재(24, 24', 24")는 타원기둥형 형상을 할 수 있으며, 도 5a에 도시된 바와 같이 측면으로 절단한 형상, 도 5b에 도시된 바와 같이 정단면으로 절단한 형상 또는 도 5c에 도시된 바와 같이 상부 보강 부재가 용기형 하부 보강 부재의 뚜껑을 이루는 형상으로 보강 부재를 제조할 수 있다.

상기 보강 부재는 각각 측면에 전해액 주입 통로를 갖는데, 도 6a~도 6c에 도시된 바와 같이 이러한 전해액 주입 통로(15, 25, 35, 45)은 전해액이 통과될 수 있는 통로가 될 수 있으면, 어떠한 형태로도 가능하며, 원형, 장타원형, 사각형, 삼각형 또는 직사각형 등 여러 가지 변형한 주입 통로를 형성할 수 있다.

상기 보강 부재의 단면은 도 7a~7c에 도시된 바와 같이, 상기 상부 보강 부재와 하부 보강 부재는 접촉되는 면에 반대형상으로 형성되어 서로 결합하는 돌출부(17, 27, 37, 47)를 포함할 수 있다. 상기 상부 보강 부재와 하부 보강 부재는 접촉되는 면에 반대형상으로 형성되어 서로 결합하는 돌출부를 포함할 수 있다. 상기 돌출부는 상호 반대 형상이면 어느 것이나 가능하며, 예를 들면 계단형, 반원형, 삼각형, 사선형 등이 있다. 그러한 예가 도 7a~7d에 예시되어 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발 명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따르면, 파우치 케이스 내에 별도의 보강 부재를 삽입하여 외부 충격으로부터 전지를 보호하여 파우치형 이차전지의 신뢰성을 향상시키는 한편, 충방전에 따른 전극 조립체의 변형을 방지할 수 있어 수명 성능이 향상되며, 별도의 하드 케이스 없이도 전지의 보호가 가능하므로 전지의 두께를 얇게 제조할 수 있어, 수요자들의 다양한 요구에 부합할 수 있는 파우치형 이차전지를 제공한다. 또한, 보강 부재의 측면에 전해액 주입 통로를 두어 전해액의 주입을 용이하게 하였으면, 상부 보강 부재와 하부 보강 부재의 접촉면에 서로 맞물리는 돌출부를 두어 별도의 지지 부재 없이도 보강 부재가 조립 전극체를 지지할 수 있게 하였다.

Claims (9)

1. 전극 조립체;

   파우치 케이스; 및

   상기 파우치 케이스 내에 삽입되며, 상기 전극 조립체를 수용하면서, 적어도 하나의 전해액 주입 통로를 구비한 보강 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전해액 주입 통로가 상기 보강 부재의 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
3. 제1항에 있어서,

   상기 보강 부재가 박스형 또는 타원기둥형인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
4. 제1항에 있어서,

   상기 보강 부재가 상부에 양극 및 음극 탭이 노출되는 탭 연결 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
5. 제1항에 있어서,

   상기 보강 부재가 금속 재료, 세라믹 또는 유기무기 복합재료 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
6. 제5항에 있어서,

   상기 유기무기 복합재료는 무기 필러에 수지 바인더를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
7. 제1항에 있어서,

   상기 보강 부재가 상부 보강 부재 및 하부 보강 부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
8. 제7항에 있어서,

   상기 상부 보강 부재와 하부 보강 부재가 박스 또는 타원기둥을 측면으로 절단하거나, 단면으로 절단된 형태 또는 상부 보강 부재가 용기형 하부 보강 부재의 뚜껑인 형태인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
9. 제7항에 있어서,

   상기 상부 보강 부재와 하부 보강 부재가 접촉되는 면에 반대형상으로 형성되어 서로 결합하는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.

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