KR101145735B1 - 팩 케이스를 사용하지 않은 전지팩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 전지셀로 구성된 전지팩으로서, 전지셀을 금형 내부에 위치시키고, 인서트 사출성형으로 저온 수지를 상기 전지셀의 외주면 전체에 주입 및 고화시킨 후, 외장필름을 도포하는 것으로 제조되는 전지팩을 제공하는 바, 이러한 전지팩은 박스형의 케이스, 프레임 등과 같은 종래의 팩 케이스를 사용하지 않고도 전지셀의 낮은 기계적 강도를 보완할 수 있으며, 전극단자와 보호회로부 등의 부착되는 별도의 부재들을 견고하게 고정하여 단락 등에 대한 안전성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 팩 케이스를 사용하지 않은 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 전지셀로 구성된 전지팩으로서, 전지셀을 금형 내부에 위치시키고, 인서트 사출성형으로 저온 수지를 상기 전지셀의 외주면 전체에 주입 및 고화시킨 후, 외장필름을 도포하는 것으로 제조되는 전지팩을 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지 및 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있고, 특히, 형태 의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
도 1에는 일반적인 파우치형 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 2 및 도 3에는 이러한 파우치형 전지가 내장되어 있는 전지팩의 사시도 및 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 파우치형 전지케이스(20) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드들(41, 42)이 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
하지만, 이러한 파우치형 전지(10)는 전지케이스(20)가 ONy(연신 나일론 필름)으로 이루어진 외부 피복층(20a), 알루미늄으로 이루어진 배리어층(20b) 및 CPP(무연신 폴리프로필렌 필름)로 이루어진 내부 실란트층(20c)으로만 구성되어 있기 때문에, 물리적 충격을 받거나 또는 뾰족한 물체에 의해 눌려질 때 쉽게 손상되어, 발화 또는 폭발되는 문제점이 있다.
따라서, 파우치형 전지의 낮은 기계적 강성을 보완하기 위하여, 도 2 및 3에서와 같이, 파우치형 전지를 별도의 팩 케이스에 내장하여 전지팩으로서 제조된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전지팩(50)은, 양극, 음극 및 분리막의 전극조립체와 전해질이 밀봉된 상태로 내장되어 있는 전지셀(10)을 내부공간을 가진 팩 케이스 본체(60)에 수납하고, 팩 케이스 본체(60)에 상부 덮개(70)를 초음파 용접 등의 방법으로 결합하여 전지셀(10)을 밀봉한 뒤, 팩 케이스 본체(60)와 상부 덮 개(70)의 외면을 외장필름(80)으로 감싸는 것으로 이루어져 있다.
이와 같이, 팩 케이스로 구성된 전지팩은, 조립과정에서 팩 케이스를 제조하는 공정에서부터 그것들을 결합하는 공정까지 많은 수의 공정이 요구되어 궁극적으로 제조비용이 증가되며, 특히, 팩 케이스를 결합하는 과정에서 결합부위를 확보하기 위하여 팩 케이스가 소정의 두께를 가져야 하기 때문에, 전지팩의 두께가 증가되는 단점을 가지고 있다. 또한, 팩 케이스는 초음파 용접 등에 의하여 상호 결합되므로, 이러한 과정에서 발생될 수 있는 단락 등은 전지팩의 안전성을 저하시키는 원인이 되기도 한다.
따라서, 팩 케이스를 사용하지 않고도 낮은 기계적 강성을 보완할 수 있으며, 안전성이 향상된 전지팩에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 팩 케이스를 사용하지 않고도 전지셀의 낮은 기계적 강성을 보완할 수 있는 얇은 두께의 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전극단자와 보호회로부 등의 구성요소들을 견고하게 고정하여 단락 등에 대한 안전성을 더욱 향상시킬 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 전지셀로 구성된 전지팩으로서, 전지셀을 금형 내부에 위치시키고, 인서트 사출성형으로 저온 수지를 상기 전지셀의 외주면 전체에 주입 및 고화시킨 후, 외장필름을 도포하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 별도의 팩 케이스를 사용하지 않고도 전지셀의 낮은 강성을 보완할 수 있으며, 팩 케이스에 의해 발생될 수 있는 다양한 문제점들을 해결할 수 있는 특징이 있다.
상기 파우치형 케이스는 전지셀의 외장부재로서, 금속층과 수지층으로 구성되어 있는 라미네이트 시트형의 구조로, 예를 들어 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 하단이 일체로서 연결되어 있는 1 단위의 접이식 케이스로서 상부 또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 상하부 접촉부위를 밀봉하는 구조일 수 있다. 따라서, 파우치형 전지셀은 수납부에 전극조립체를 내장한 상태에서 밀봉할 때 상하부 접촉부위가 실링부를 형성한다. 상기와 같은 1 단위의 접이식 부재인 경우, 실링부는 양 측면과 전극단자가 위치하는 상단면에 형성된다.
상기 전극조립체는 충방전이 가능할 수 있도록 양극과 음극이 구성되어 있으 며, 예를 들어, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조로서 젤리-롤 방식 또는 스택형 방식으로 이루어져 있다. 상기 전극조립체의 양극과 음극은 그것의 전극 탭이 직접 전지의 외부로 돌출된 형태이거나, 또는 상기 전극 탭이 별도의 리드에 접속되어 전지의 외부로 돌출된 형태일 수 있다.
상기 전지셀은 그것의 전극단자에 보호회로 모듈(PCM)이 장착된 상태에서 금형 내부에 위치시키는 것이 바람직하다. 이는 상기 PCM이 장착되기 전의 상태에서 전지셀을 금형에 삽입할 경우, 전지셀의 외면에 도포되는 저온 수지에 의하여 상기 전지셀과 PCM간의 전기적 연결이 용이하지 않기 때문이다. 더욱이, 상기 전지셀과 PCM이 장착된 상태에서 상기 전지셀의 외면이 저온 수지로 도포될 경우, 상기 전지셀과 PCM의 결합부위 또한 저온 수지로 고정될 수 있기 때문에, 결합부위의 결합력을 높일 뿐만 아니라 결합부위에서 발생되는 단락 및 분리 등을 예방하여 전지팩의 안전성을 향상시킬 수 있기 때문이다.
경우에 따라서는, 상기 PCM을 감싸면서 전지셀의 상단에 장착되는 캡(상단 캡)을 전지셀과 함께 금형 내부에 위치시킨 상태에서 인서트 사출성형을 할 수 있다. 이 경우, 저온 수지는 상단 캡과 전지셀 사이의 공간에 충진되게 된다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 상단 캡의 양 측 하단에는 전지셀의 외주면을 감싸는 얇은 프레임이 연장되어 있어서, 상기 프레임의 적어도 내측면이 저온 수지와 함께 고화됨으로써 전지셀에 대한 상단 캡의 장착이 이루어질 수 있다. 상기 프레임은 상단 캡과 일체로서 성형될 수도 있고, 별도의 부재로서 제조된 후 기계적 체결 또는 접착 방식으로 결합될 수도 있다.
상기 전지셀은 그것의 외주면 전면에 저온 수지를 도포할 때 상기 저온 수지가 주입될 수 있는 틈을 형성하기 위하여 금형과 일정간격 이격된 상태로 금형 내부에 삽입되어야 한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지셀은 그것의 상면 및/또는 하면의 일부 또는 전부가 금형에 접함으로써 금형 내부에서 정위치될 수 있다. 이때, 상기 금형과 접하는 부위는 저온 수지에 의하여 도포되지 않으며, 추후 외장필름에 의해 직접 도포된다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 전지셀은 측면 실링부가 금형에 접함으로써 금형 내부에서 정위치될 수 있다. 여기서, 상기 측면 실링부는 금형에 접함으로써 저온 수지에 의해 도포되지 않으며, 바람직하게는, 상기 돌출된 실링부는 인서트 사출성형 후 수직으로 절곡되고, 그러한 절곡 부위를 감싸는 구조로 외장필름이 도포될 수 있다.
상기 저온 수지는 용융액의 형태로 전지셀의 외주면에 주입되어, 고화된 후 전지팩의 외면을 구성하는 성분으로서, 예를 들어, 폴리아미드(Polyamides), 폴리에테르-블록 에스테르(Polyether-block esters), 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic polyurethane), 폴리에테르 블록 아미드(Polyether-block amides), 티피오(TPO) 등이 선택적으로 또는 둘 이상의 블렌드로서 사용될 수 있다. 그 중에서도 폴리아미드(Polyamides)인 것이 특히 바람직하다.
상기 외장필름은 전지셀의 외면을 감싸는 형태로 부착되며, 그것의 외면에 제품 표시, 제조자 표시, 제품 사용방법, 주의사항 등을 표시하여 라벨의 기능도 한다.
상기 외장필름의 소재로는, 예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트, PET 필름 등이 선택적으로 또는 둘 이상의 블렌드로서 사용될 수 있으며, 그 중에서도 알루미늄 라미네이트 시트가 바람직하다. 필름의 바람직한 두께는 전지팩의 두께 및 보호용 부재로서의 작용을 고려할 때 대략 0.05 내지 0.3 mm 일 수 있지만, 그것으로 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지팩의 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 도시되어 있다. 이해의 편의를 위하여 저온 수지가 고화되어 형성된 수지 외장재를 분리하여 도시하였다.
도 4를 참조하면, 전지팩(100)은 상단에 전극단자(111)가 돌출되어 있는 파우치형 전지셀(110), 전극단자(111)에 접속되어 있는 상태로 장착되는 PCM(120), 전지셀(110)의 외면을 감싸는 구조로 저온 수지가 고화된 수지 외장재(130) 및 외면을 감싸는 외장필름(140)으로 구성되어 있다.
수지 외장재(130)에서 전지셀(110)의 상면(112)과 하면(114)에 대응하는 부위(A)는 중공형 구조로 이루어져 있다. 즉, 전지셀(110)을 금형(도시하지 않음)의 내부에 정위치시킬 때 전지셀(110)의 상면(112)과 하면(114)이 금형의 내부에 접함으로써, 저온 수지가 주입되지 않기 때문이다. 또한, 수지 외장재(130)는 전극단자(111)에 접속되어 있는 PCM(120)을, 그것의 외부 입출력 단자(122) 등이 노출된 상태로, 감싸면서 형성되어 있다.
따라서, 수지 외장재(130)는 상면(112)과 하면(114)을 제외하고 전지셀(110)의 외면 전체를 감싸면서 형성되므로, 종래의 팩 케이스와 같이 전지셀(110)의 기계적 강성을 보완하고 PCM(120) 등의 구성요소들을 소정의 위치에 안정적으로 고정할 수 있다.
도 5 내지 도 7에는 도 4의 전지팩 제조과정에 대한 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.
우선 도 5에서, 전지셀(110)의 상단에 PCM(120)이 전기적으로 연결된 상태로 탑재되며, 전지셀(110)의 양 측면 실링부(113)를 상향 절곡하여 밀착시킨다.
도 6에서, 상기와 같이 제조된 전지셀(110)과 상단 캡(150)을 금형(도시하지 않음) 내부에 위치시키고 저온 수지를 인서트 사출성형 후 고화시켜, 수지 외장재(130)가 전지셀(110)의 상면(112) 및 하면(114)과 상단 캡(150)의 외면을 제외하고 나머지 공간에 충진되도록 형성한다. 전지셀(110)은 앞서 설명한 바와 같이 그것의 상면(112) 및 하면(114)이 금형 내면에 밀착되도록 위치된다. 상단 캡(150)의 양 측 하단에는 전지셀(110)의 외주면을 감싸는 얇은 프레임(152)이 연장되어 있어서, 프레임(152)의 적어도 내측면이 저온 수지와 함께 고화되어 수지 외장재(130)에 대한 상단 캡(150)의 장착이 이루어질 수 있다.
다음으로 도 7에서, 상단 캡(150)에 침수 확인용 라벨(154)을 부착하고 전지셀(110)과 수지 외장재(130)를 외장필름(140)으로 감아 전지팩(100)의 제조가 완료된다.
도 8 내지 도 11에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 제조과정이 모식적으로 도시되어 있다. 이해의 편의를 위하여, 이들 도면들은 도 5의 선 B-B에 대응하는 수직 단면도로서 도시되어 있다.
도 8에서와 같이, 전지셀(110)의 상단에 PCM(도시하지 않음)을 장착하고 그것의 측면 실링부(113)가 외부로 돌출될 수 있도록, 상부 금형(200) 및 하부 금형(300) 사이에 맞물리게 정위치시킨 상태에서, 전지셀(110)과 상부 금형(200) 및 전지셀(110)과 하부 금형(300) 사이의 공간에 저온 수지를 주입시킨다.
저온 수지가 고화되어 수지 외장재(130)를 형성할 수 있을 정도의 시간이 경과된 뒤 상부 금형(200) 및 하부 금형(300)을 제거하면, 도 9에서와 같이 측면 실링부(113)의 일부를 제외한 전지셀(110)의 전면에 수지 외장재(130)가 형성된다.
그런 다음 도 10에서와 같이, 측면에서 돌출되어 있는 전지셀(110)의 측면 실링부(113)를 수직으로 상향 절곡하여 밀착시키고, 최종적으로 도 11에서와 같이, 외장필름(140)을 도포하는 것으로 전지팩 제조가 완료된다.
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 전지팩은 박스형의 케이스, 프레임 등과 같은 종래의 팩 외장부재를 사용하지 않고도 전지셀의 낮은 기계적 강도를 보완할 수 있으며, 전극단자와 보호회로부 등의 부착되는 별도의 부재들을 견고하게 고정함으로써 단락 등에 대한 안전성이 더욱 향상되는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 2는 파우치형 전지가 내장되어 있는 종래기술의 전지팩의 사시도이다;
도 3은 도 2의 전지팩의 분해 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 5 내지 도 7은 도 4의 전지팩을 제조하는 과정에 대한 사시도들이다;
도 8 내지 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 제조과정에 대한 수직 단면도들이다.
Claims (10)
- 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 전지셀로 구성된 전지팩으로서, 전지셀을 금형 내부에 위치시키고, 인서트 사출성형으로 저온 수지를 상기 전지셀의 외주면 전체에 주입 및 고화시킨 후, 외장필름을 도포하는 것으로 제조되며,상기 전지셀은 측면 실링부가 금형에 접함으로써 금형 내부에서 정위치되며,상기 측면 실링부는 인서트 사출성형 후 수직으로 절곡되고 그러한 절곡부위를 감싸도록 외장필름이 도포되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 그것의 전극단자에 보호회로 모듈(PCM)이 접속된 상태에서 금형 내부에 삽입되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 3 항에 있어서, 상기 PCM을 감싸면서 전지셀의 상단에 장착되는 캡(상단 캡)을 전지셀과 함께 금형 내부에 위치시킨 상태에서 인서트 사출성형을 행하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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- 제 1 항에 있어서, 상기 저온 수지는 폴리아미드(Polyamides), 폴리에테르-블록 에스테르(Polyether-block esters), 열가소성 폴리우레탄(THERMOPLASTIC POLYURETHANE), 폴리에테르 블록 아미드(Polyether-block amides), 및 티피오(TPO)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 1 항에 있어서, 상기 외장필름은 알루미늄 라미네이트 시트 및 PET 필름으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 4 항에 있어서, 상기 상단 캡의 양 측 하단에는 전지셀의 외주면을 감싸는 얇은 프레임이 연장되어 있어서, 상기 프레임의 적어도 내측면이 저온 수지와 함께 고화됨으로써 전지셀에 대한 상단 캡의 장착이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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| KR1020070108580A KR101145735B1 (ko) | 2007-10-27 | 2007-10-27 | 팩 케이스를 사용하지 않은 전지팩 |
Applications Claiming Priority (1)
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