KR101192619B1 - 전지케이스 - Google Patents

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김영훈
권성진
김동명
김기웅
박현
안순호
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 시트형 모재에 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부를 포함하는 전지케이스로서, 상기 수납부는 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스를 제공한다.

Description

전지케이스 {Battery Case}
본 발명은 신규한 구조의 전지케이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부를 포함하고 있고, 상기 수납부는 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스에 관한 것이다.
이차전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더 등 모바일 기기들의 전원으로 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지의 사용은 작동전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 잇점으로 인해 급속도로 증가되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다.
리튬이온 폴리머 전지(LiPB)는 전극(양극 및 음극)과 분리막을 열융착시킨 전극조립체에 전해액을 함침시킨 구조로서, 주로 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 밀봉한 형태로 많이 사용되고 있다. 따라서, 리튬이온 폴리머 전지를 종종 파우치형 전지로 칭하기도 한다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 리튬이온 폴리머 전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 리튬이온 폴리머 전지(10)는, 파우치형의 전지케이스(20) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 내장되어 있고, 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)이 두 개의 전극리드(40, 41)에 각각 용접되어 전지케이스(20)의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일측이 연결되어 있는 덮개(22)로 이루어져 있다.
리튬이온 폴리머 전지(10)에 사용되는 전극조립체(30)는, 도 1에서와 같은 스택형 구조 이외에 젤리롤형 구조 또는 스택/폴딩형 구조도 가능하다. 스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 전극리드(40, 41)에 각각 용접되어 있다.
이러한 폴리머 전지용 전지케이스(20)는, 수납부(23)에 대응하는 직육면체 형상의 펀치를 사용하여 시트형의 모재, 예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트의 모재를 가압하여 변형시킨 후, 수납부(23)의 길이방향으로 덮개의 크기 및 폭 방향으로 가스 포켓에 대응하는 크기로 절단함으로써 제조된다.
그러나, 최근에는 슬림한 타입 또는 다양한 디자인 트랜드로 인하여 새로운 형태의 전지셀이 요구되고 있는 반면, 종래와 같은 전지셀들은 동일한 크기 또는 용량의 전극조립체 및 이에 대응하는 전지케이스를 포함하는 것으로 구성되어 있다. 따라서, 전지셀이 적용되는 디바이스의 디자인을 고려하여 신규한 구조로 만들기 위해서는, 전지셀의 용량을 줄이거나 더 큰 크기로 디바이스의 디자인을 변경해야 하는 문제점이 있다.
또한, 이러한 디자인 변경 과정에서 전기적 연결 방식이 복잡해짐으로 인해 소망하는 조건을 만족하는 전지셀의 제작이 어려워지는 문제점도 있다.
한편, 폴리머 전지는 수납부에 전극조립체를 안착한 후 덮개를 덮고 본체와의 접촉 부위를 열융착시킨 뒤 활성화 및 숙성 단계를 거치게 되는데, 이때 발생하는 가스를 제거하기 위해 가스 포켓을 가진 전지케이스를 일차 밀봉하여 활성화 단계를 거치며, 가스 포켓을 통해 가스를 제거하고 수납부에 대응하는 크기로 재차 밀봉한 후 가스 포켓을 절취함으로써 제조된다.
그러나, 파우치형 전지의 특성상 상기 수납부를 형성하기 위해 모재에 대한 펀치의 가압 과정에서 응력이 내재된 상태에서 모재가 수납부의 두께 방향으로 연신되므로 수납부의 포밍(forming) 폭에 대한 정확한 성형이 어렵다는 문제점이 있다.
즉, 상기의 직육면체 형상으로 모재를 가압할 경우, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 수납부의 코너에는 주름(A) 및 백화 현상(B)이 발생하고, 이에 따라 수분 침투가 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해소하면서 다양한 형상의 전극조립체를 내장할 수 있는 수납부의 공간을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 고출력 또는 대용량의 특성을 발휘할 수 있도록 다양한 형상의 전극조립체에 대응하는 수납부를 포함하는 전지케이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 시트형 모재에서 수납부가 형성될 부위에 신규한 형상의 펀치를 사용한 가압에 의해 수납부를 형성함으로써, 수납부의 정밀도를 높이고, 안전성을 확보한 전지케이스를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지케이스는, 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부를 포함하고 있고, 상기 수납부는 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되어 있는 구조를 가지고 있다.
종래의 전지케이스에서 전극조립체의 수납부는, 평면 형상에서 수납부의 중심축을 기준으로 수납부의 내주면이 대칭 구조를 이루고 있거나, 또는 평평한 측면 및 하단면에 기반하여 수직 단면 형상이 직선으로 이루어져 있다. 예를 들어, 원통형 및 코인형 전지케이스의 경우, 평면 형상이 대칭적인 원형이고, 수직 단면 형상이 측면과 하단면에서 직선으로 이루어져 있다. 또한, 얇은 육면체의 각형 및 파우치형 전지케이스의 경우, 평면 형상이 대칭적인 정사각형 또는 직사각형이고, 수직 단면 형상이 측면과 하단면에서 직선으로 이루어져 있다.
이에 반해, 본 발명의 전지케이스는, 종래의 전지케이스와는 달리, 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에서 "모서리 및/또는 면이 변형되어 있다"는 것은 평면 형상에서 수납부의 중심축을 기준으로 수납부의 내주면이 대칭 구조를 이루고 있지 않거나, 및/또는 측면 및 하단면 중의 적어도 하나의 수직 단면 형상이 직선으로 이루어져 있지 않음을 의미한다.
이러한 변형의 유형은 이후 설명하는 바와 같이 매우 다양할 수 있는 바, 상기 조건을 만족하는 변형들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
하나의 바람직한 예로서 상기 전지케이스 수납부는, 다이 상에 시트형 모재를 위치시킨 상태에서 펀치로 가압하여 적어도 하나 이상의 모서리 및/또는 면이 변형되면서 형성될 수 있다.
참고로 도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 종래에는 육면체 형상의 펀치(10)를 이용하여 다이(20)의 모재(도시하지 않음)를 가압하는 구조로 인해, 육면체의 수납부를 형성하게 되며, 다양한 형상의 수납부를 형성하는데 제한적이었다.
그러나, 본 발명에 따른 전지케이스는 일부 변형된 신규한 구조의 펀치로 모재를 가압함으로써, 이에 수납되는 전지용량을 증대시킴과 동시에 콤팩트한 구조로 잉여 공간의 활용도를 향상시킬 수 있다.
상기 모재는, 예를 들어, 파우치형 전지에 적합한 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 구체적으로는 제 1 고분자 수지의 상층, 차단성 금속의 중간층, 및 제 2 고분자 수지의 하층으로 이루어질 수 있다. 여기서, 제 1 고분자 수지층은 바람직하게는 열융착성 고분자 수지일 수 있으며, 예를 들어, 무연신 폴리프로필렌 수지일 수 있다. 상기 차단성 금속은 예를 들어 알루미늄일 수 있으며, 상기 제 2 고분자 수지는 나일론 수지, 폴레에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지 등을 수 있다. 그러나, 소재의 종류가 상기 예들로 한정되지 않음은 물론이다.
또한, 최근 고용량화로 인한 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공에 따라, 본 발명이 적용되는 모재의 두께는 바람직하게는 0.3 mm 내지 6 mm의 범위 내에 있을 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 펀치는 입체형상을 이루는 측변 모서리들 중의 하나 또는 둘 이상의 모서리가 변형되어 있는 것일 수 있으며, 구체적으로, 상기 펀치는 2개의 측변 모서리들이 곡선으로 형성되어 있을 수 있다.
이 경우, 상기 곡선은 펀치로 모재를 가압했을 때, 전극 탭이 형성되어 있는 변(상단 변)을 기준으로 그것의 양 측변에 형성될 수도 있고, 이들이 상단 변 또는 하단 변에 형성될 수도 있음은 물론이다.
따라서, 본 발명에 따른 전지케이스는 변형된 구조의 전극조립체들이 수납되는 전지케이스를 형성함으로써, 고용량을 제공하면서도 전지셀의 다양한 형상에 맞도록 유연하게 적용할 수 있다.
또한, 종래의 전지케이스는 모재에 육면체 형상의 펀치를 이용하여 가압할 때 모재에 응력이 축적된 상태에서 계속적인 연신으로 인해, 불량률이 높고, 깊은 수납부의 형성이 어려우며, 안전성에 문제가 있었다.
이에 반해, 본 발명에 따른 전지케이스는 수납부의 모서리가 적어도 일부에서 곡선으로 형성되므로, 응력 분산 내지 완화에 의해 국부적인 눌림을 최소화할 수 있으며, 수납부의 내부 공간의 정밀도를 확보할 수 있다.
상기 펀치의 형상은 입체형상으로서 매우 다양할 수 있는 바, 하나의 구체적인 예에서, 가압 방향을 기준으로 상단면이 계단형 구조를 이루고 있는 형상일 수 있다.
이 때, 상기 계단형 구조는 상단면의 중심, 또는 일측 꼭지점 또는, 일측변 모서리를 기준으로 형성되어 있을 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 펀치는 가압 방향을 기준으로 상단면이 피라미드형 구조를 이루고 있을 수 있으며, 상기 피라미드형 구조는 상단면의 중심, 또는 일측 꼭지점, 또는 일측변 모서리를 기준으로 형성될 수 있음은 물론이다.
즉, 본 발명에 따른 전지케이스는, 상기 구조와 같이 펀치의 일부가 상대적으로 더 깊이 모재를 가압하여 제조함으로써, 국부적으로 발생하는 연신과 그로 인한 내재 응력을 분산시키거나 완화시킬 수 있으며, 수분 침투에 대한 문제점 등을 미연에 방지할 수 있다.
부언하면, 상기 펀치는, 수납부의 모서리에 주름 및/또는 백화현상을 방지하도록, 곡선 모서리 구조, 계단형 구조 및 피라미드형 구조로 이루어진 군에서 하나이상 선택되는 형상일 수 있다.
결과적으로, 상기 구조로 의해 모재가 연신되는 부위를 넓게 분포시킴으로써, 상기 수납부의 모서리에는 주름과 백화현상이 발생하지 않거나 매우 작게 발생한다.
한편, 상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 폴딩형 구조, 스택형 구조, 스택/폴딩형 구조 등을 들 수 있다.
본 발명은 또한 상기의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 전기화학 셀을 제공한다. 이러한 전기화학 셀은 전지케이스의 수납부가 형성될 부위에 변형된 입체형상 구조의 펀치를 사용하여 모재를 가압하여 형성된 전지케이스에 전해액이 함침되어 있는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이러한 전기화학 셀은 다양한 구조는 물론, 대용량을 제공할 뿐만 아니라, 안전성과 수명 특성이 우수하다.
본 발명에 따른 전지화학 셀은 상기와 같은 구조를 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 리튬 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 하나 이상 포함하는 전지모듈을 제공하며, 이러한 전지모듈을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 전지모듈로부터 동력을 받아 작동하는, 휴대폰, 스마트 패드(smart pad), 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있다.
전지모듈 및 이러한 전지모듈을 사용하는 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 시트형 모재에서 수납부가 형성될 부위에 변형된 입체형상 구조의 펀치를 사용하여 가압을 수행하여 수납부를 형성함으로써, 다양한 형상의 수납부를 제조할 수 있고, 수납부의 정밀도를 높일 수 있으며, 안전성을 확보한 전지케이스를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전지케이스는 이에 수납되는 전지용량을 증대시킴과 동시에 콤팩트한 구조로 잉여 공간의 활용도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 리튬이온 폴리머 전지의 분해도이다;
도 2 및 도 3은 도 1의 수납부의 부분 사진이다;
도 4는 종래의 펀치와 모재의 모식도이다;
도 5는 도 4의 펀치가 모재를 가압한 상태의 상면도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 펀치와 모재의 모식도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 펀치와 모재의 모식도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 펀치와 모재의 모식도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 펀치와 모재의 모식도이다;
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 6 내지 도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 펀치와 모재의 모식도가 도어 있다.
이들 도면을 참조하면, 시트형 모재(200)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로서, 제 1 고분자 수지의 상층, 차단성 금속의 중간층, 및 제 2 고분자 수지의 하층으로 이루어져 있다. 제 1 고분자 수지의 상층은 전지의 제조 과정에서 열융착되어 밀봉성을 제공한다.
구체적으로, 모재(200)에 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부(도시하지 않음)에 대응하는 형상의 펀치(100)를 사용하여 전지케이스를 제조하는 방법에서, 우선, 다이(300) 상에 시트형 모재(200)을 탑재한다. 다이(300)에는 펀치(100)의 형상에 대응하는 내면 형상이 각인되어 있는 홈(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 따라서, 펀치(100)를 사용하여 모재(200)를 가압함으로써 수납부(도시하지 않음)가 형성되며, 이러한 펀치의 형상은 매우 다양할 수 있다.
도 6을 참조하면, 펀치(100)는 2개의 측변 모서리들이 곡선(110)으로 형성되어 있는 구조일 수 있고, 도 7에서 도시한 바와 같이, 펀치(101)는 측변 모서리들이 곡선(121)으로 형성되면서 가압 방향(화살표 방향)을 기준으로 상단면의 일측변에 계단형 구조(111)를 이룰 수 있다.
또한, 도 8에서 도시한 바와 같이, 펀치(102)는 가압 방향(화살표 방향)을 기준으로 일측 모서리를 기준으로 계단형 구조(122)일 수도 있다.
마지막으로, 도 9에서 도시한 바와 같이, 펀치(103)는 가압 방향(화살표 방향)을 기준으로 일측 꼭지점을 기준으로 피라미드형 구조(113)를 형성할 수 있음은 물론이다.
이와 같이, 다양한 형상의 펀치를 사용하여 모재를 가압하여 수납부를 형성한 뒤, 모재를 절취함으로써, 다양한 형상의 전지케이스를 제조할 수 있으며, 이때, 수납부(도시하지 않음)의 모서리에는 종래기술과 비교하여 주름과 백화현상이 거의 없거나 현저히 감소한다.
한편, 전극조립체는 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어져 있고, 그것의 두 개의 전극단자에 용접되어 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다면, 젤리-롤형 또는 스택형일 수 있으며, 특별히 제한되지는 않는다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 전극조립체가 내장될 수 있는 수납부를 포함하고 있고, 상기 수납부는 수납부의 형상을 이루는 하나 이상의 모서리 또는 면 또는, 모서리 및 면이 변형되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부는 다이 상에 시트형 모재를 위치시킨 상태에서 펀치로 가압하여 적어도 하나 이상의 모서리 또는 면 또는, 모서리 및 면이 변형되면서 형성되는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 모재는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 모재는 제 1 고분자 수지의 상층, 차단성 금속의 중간층, 및 제 2 고분자 수지의 하층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 모재의 두께는 0.3 내지 6 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 펀치는 입체형상을 이루는 측변 모서리들 중의 하나 또는 둘 이상의 모서리가 변형되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 펀치는 2개의 측변 모서리들이 곡선으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 펀치는 가압 방향을 기준으로 상단면이 계단형 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 계단형 구조는 상단면의 중심, 또는 일측 꼭지점 또는, 일측변 모서리를 기준으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 펀치는 가압 방향을 기준으로 상단면이 피라미드형 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 피라미드형 구조는 상단면의 중심, 또는 일측 꼭지점, 또는 일측변 모서리를 기준으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부의 모서리에는 주름과 백화현상이 없는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  16. 제 1 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  17. 제 16 항에 따른 중대형 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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