KR101245284B1 - 전해액 재충전이 가능한 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전해액의 재충전이 가능한 이차 전지를 개시한다. 본 발명에 따른 이차 전지는, 반대 극성의 전극 리드가 부착된 셀 어셈블리; 일단이 밀봉되어 있는 전해액 보충 튜브; 및 가장 자리의 열 융착을 통해, 상기 전극 리드의 일부와 상기 전해액 보충 튜브의 밀봉 부위가 외부로 노출되도록 상기 전해액 보충 튜브와 상기 셀 어셈블리를 밀봉하는 파우치 케이스를 포함한다.
본 발명에 따르면, 간단한 구조의 전해액 보충 부재를 통해 전해액을 보충할 수 있도록 함으로써 이차 전지의 수명을 연장할 수 있다. 또한, 전해액 보충 부재가 파우치 케이스와 긴밀하게 결합되므로 파우치 케이스의 밀봉 특성이 실질적으로 저하되지 않는다. 나아가, 전해액 보충 부재를 통해 이차 전지 내부의 물질 상태를 육안으로 확인할 수 있으므로 전해액의 보충 시점을 쉽게 판별할 수 있다.
본 발명에 따르면, 간단한 구조의 전해액 보충 부재를 통해 전해액을 보충할 수 있도록 함으로써 이차 전지의 수명을 연장할 수 있다. 또한, 전해액 보충 부재가 파우치 케이스와 긴밀하게 결합되므로 파우치 케이스의 밀봉 특성이 실질적으로 저하되지 않는다. 나아가, 전해액 보충 부재를 통해 이차 전지 내부의 물질 상태를 육안으로 확인할 수 있으므로 전해액의 보충 시점을 쉽게 판별할 수 있다.
Description
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해액을 재충전할 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 약 3배의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 구조를 가진 단위 셀의 집합체인 셀 어셈블리와, 셀 어셈블리를 밀봉 수납하는 외장재 케이스와, 상기 셀 어셈블리에 함침되어 있는 전해액을 포함한다.
리튬 이차 전지는 외장재 케이스의 형상에 따라, 셀 어셈블리가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 셀 어셈블리가 금속 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류된다.
파우치형 이차 전지는 제조 비용이 저렴하고 에너지 밀도가 높으며 직렬 또는 병렬 연결을 통해 대용량의 전지 팩을 구성하기 용이하다는 장점이 있어서 최근 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 전력 원으로 각광을 받고 있다.
파우치형 이차 전지는, 판형으로 이루어진 전극 리드가 접속된 셀 어셈블리를 파우치 케이스에 수납하고 파우치 케이스 내부에 전해액을 주입하고 파우치 케이스의 가장 자리를 열 융착시켜 제조한다. 전극 리드의 일부는 파우치 케이스 외부로 노출되며, 노출된 전극 리드는 이차 전지가 장착되는 장치에 전기적으로 연결되거나, 이차 전지 상호 간을 전기적으로 연결하는데 사용된다.
이차 전지는 충방전 사이클이 반복됨에 따라 전해액의 변성이 발생한다. 따라서 전기화학적 반응에 기여할 수 있는 전해액의 량이 시간이 지남에 따라 감소함으로써 이차 전지의 충방전 효율과 용량 보유율(capacity retention ratio)이 저하되어 이차 전지의 교체가 필요하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 전해액 보충 부재를 구비한 이차 전지가 국내 공개 실용 신안 20-1998-0021641에 개시되어 있다. 상기 전해액 보충 부재는 이차 전지의 케이스에 형성된 주입구와, 케이스에 설치되고 이차 전지의 안과 연결되는 복수의 전해액 공급구가 형성되는 몸체와, 상기 몸체의 안에 삽입되어 전해액 주입구와 공급구의 연결과 차단을 행하는 밸브부재와, 밸브부재에 일정하게 힘을 가하는 가압부재로 구성되며, 상기 가압부재는 스프링을 이용한 탄성부재로 이루어진다.
그러나, 상기 종래기술이 제안한 전해액 보충 부재는 여러 가지 문제점을 안고 있다. 먼저, 전해액 보충 부재의 구현을 위해서는 밸브부재와 스프링 등의 요소가 필요하므로 구조가 복잡하다는 단점이 있다. 또한, 전해액 보충 부재가 설치된 부위에서 밀봉이 잘 되지 않을 경우 이차 전지 내부로 수분 등의 이물질이 침투할 가능성이 높다. 또한 상기 전해액 보충 부재는 캔형 전지에 적용할 수 있는 구조로서 파우치형 이차 전지에 그대로 적용하는 데는 한계가 있다. 파우치형 이차 전지의 파우치 케이스는 연성을 가지므로 상기 전해액 보충 부재와 같은 견고한 구조물이 설치되기 어렵기 때문이다. 따라서 파우치형 이차 전지에 전해액 보충 부재를 도입하기 위해서는 파우치형 이차 전지가 가지는 구조적 특수성을 감안하여 전해액 보충 부재의 구조와 이차 전지와의 구조적 결합 방식을 새롭게 제안할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전해액 재충전을 위한 구조물이 도입된 파우치형 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전해액 재충전을 위한 구조물이 도입되었음에도 불구하고 파우치 케이스의 밀봉 특성 등이 실질적으로 저하되지 않은 파우치형 이차 전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 전해액의 재충전이 가능한 이차 전지는, 반대 극성의 전극 리드가 부착된 셀 어셈블리; 일단이 밀봉되어 있는 전해액 보충 튜브; 및 가장 자리의 열 융착을 통해, 상기 전극 리드의 일부와 상기 전해액 보충 튜브의 밀봉 부위가 외부로 노출되도록 상기 전해액 보충 튜브와 상기 셀 어셈블리를 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하고, 상기 전해액 보충 튜브는 압착된 상태로 상기 파우치 케이스에 밀봉된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 전해액 보충 튜브의 길이 방향을 따라 전해액 분출 개구가 형성된다. 이러한 경우, 상기 전해액 분출 개구는 일정한 간격으로 반복 형성된 것이 바람직하다. 선택적으로, 상기 전해액 보충 튜브의 양단이 밀봉되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 전해액 보충 튜브는, 상기 전극 리드가 결합되어 있지 않은 상기 셀 어셈블리의 변 부와 마주 대하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 전해액 보충 튜브는, 상기 셀 어셈블리의 중심 부위에 배치될 수 있다.
바람직하게, 상기 전해액 보충 튜브와 상기 파우치 케이스의 열 융착 계면에 절연 테이프가 개재된다.
실시예에 따라, 상기 전해액 보충 튜브는 투명하고 연성이 있는 폴리머로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 전해액 보충 튜브의 일단은 열 융착에 의해 밀봉된다. 선택적으로, 상기 전해액 보충 튜브의 밀봉 강도는 2Ah 이하의 용량을 갖는 셀의 경우 2.8~3.2 atm, 그리고 2Ah를 넘는 용량을 갖는 셀의 경우 0.8~1.2atm의 압력에서 벤트되도록 설정될 수 있다.
바람직하게, 상기 전해액 보충 튜브는 'ㅡ' 자형으로 압착된 상태로 상기 파우치 케이스에 밀봉된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전해액 보충 부재를 파우치형 이차 전지에 도입하고 필요에 따라 전해액을 재충전함으로써 이차 전지의 수명을 연장할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해액 보충 부재가 파우치 케이스와 긴밀하게 결합되므로 전해액 도입 부재의 도입으로 인해 파우치 케이스의 밀봉 특성이 실질적으로 저하되지 않는다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전해액 보충 부재를 통해 전해액의 상태를 육안으로 확인할 수 있으므로 전해액의 보충 시점을 용이하게 판별할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 전해액 보충 튜브의 구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 전해액 보충 튜브의 다른 구조를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 전해액 보충 튜브의 또 다른 구조를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 전해액 보충 튜브의 단면 구조의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 전해액 보충 튜브의 위치에 대한 변형 예를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 전해액 보충 튜브의 위치에 대한 다른 변형 예를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 구조를 도시한 사시도이다.
도 9는 도 8의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지에 전해액을 주입하는 과정을 도시한 공정 단면도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 전해액 보충 튜브의 구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 전해액 보충 튜브의 다른 구조를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 전해액 보충 튜브의 또 다른 구조를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 전해액 보충 튜브의 단면 구조의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 전해액 보충 튜브의 위치에 대한 변형 예를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 전해액 보충 튜브의 위치에 대한 다른 변형 예를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 구조를 도시한 사시도이다.
도 9는 도 8의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지에 전해액을 주입하는 과정을 도시한 공정 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지(10)는, 반대 극성의 전극 리드(11, 12)가 부착된 셀 어셈블리(20)와, 일단이 밀봉되어 있는 전해액 보충 튜브(30)와, 가장 자리의 열 융착을 통해 상기 전극 리드(11, 12)의 일부와 상기 전해액 보충 튜브(30)의 밀봉 부위가 외부로 노출되도록 상기 전해액 보충 튜브(30) 및 상기 셀 어셈블리(20)를 밀봉하는 파우치 케이스(40)를 포함한다.
상기 셀 어셈블리(20)는 공지된 파우치형 이차 전지와 마찬가지로 단위 셀의 집합체로 이루어진다. 단위 셀은 양극 활물질이 코팅된 양극판, 음극 활물질이 코팅된 음극판, 및 상기 양극판과 음극판을 전기적으로 분리하는 세퍼레이터를 포함한다. 양극 활물질과 음극 활물질은 양극판과 음극판의 어느 한쪽 표면 또는 양쪽 표면에 코팅될 수 있다. 인접하는 단위 셀 사이에는 전기적 절연을 위한 분리막이 개재되어 있을 수 있다. 단위 셀은 최 외곽 전극의 극성이 동일한 바이 셀 구조 또는 최 외곽 전극의 극성이 서로 반대인 풀 셀 구조를 모두 가질 수 있다.
상기 셀 어셈블리(20)는 단위 셀의 적층 방식에 따라 여러 가지 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 셀 어셈블리(20)는 단순 스택 구조, 스택/폴딩형 구조, 젤리-롤 구조 등을 가질 수 있다. 여기서, 단순 스택 구조는 복수의 단위 셀을 순차적으로 적층시킨 구조를 의미한다. 그리고 스택/폴딩형 구조는 복수의 단위 셀을 띠 형태의 분리막 위에 일정한 간격으로 배치시킨 후 어느 한쪽 방향으로 말아서 폴딩된 분리막 사이사이에 단위 셀을 삽입한 구조를 의미한다. 또한 젤리-롤 구조는 띠 형상으로 단위 셀을 만들고 단위 셀을 일정한 방향으로 말아 놓은 구조를 말한다.
상기 셀 어셈블리(20)는 단위 셀의 극판으로부터 연장된 전극 탭(13, 14)을 구비한다. 전극 탭(13, 14)은 서로 반대 극성을 가진다. 전극 탭(13, 14)은 단위 셀을 구성하는 극판으로부터 연장된 구조를 가질 수 있다. 대안으로, 전극 탭(13, 14)은 금속 편을 극판과 접합시킨 구조를 가질 수 있다. 전극 리드(11, 12)는 용접이나 도전성 접착제에 의해 전극 탭(13, 14)에 접합됨으로써 셀 어셈블리(20)에 전기적으로 접속된다.
전극 리드(11, 12)와 전극 탭(13, 14) 간의 접합이 완료된 셀 어셈블리(20)는 전해액 주액 공정과 열 융착 공정을 통해 파우치 케이스(40)에 밀봉된다. 상기 파우치 케이스(40)는 금속 박막의 상부 표면과 하부 표면이 절연성 폴리머로 라미네이트된 구조를 가진다. 상기 금속 박막은 외부의 수분, 가스 등이 셀 어셈블리(20) 측으로 침투하는 것을 방지하며, 파우치 케이스(40)의 기계적 강도 향상과 함께 파우치 케이스(40)에 주입된 화학 물질이 외부로 유출되는 것을 방지한다. 금속 박막은 철, 탄소, 크롬 및 망간의 합금, 철, 크롬 및 니켈의 합금, 알루미늄 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있는데, 이에 한하는 것은 아니다. 상기 금속 박막을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아진다. 통상, 알루미늄 금속 호일이 바람직하게 사용된다.
상기 파우치 케이스(40)는 상부 케이스와 하부 케이스로 구성된다. 하부 케이스에는 셀 어셈블리(20)의 하부가 안착될 수 있도록 셀 어셈블리(20)의 하부 형상에 대응되는 요홈이 마련된다. 또한 상부 케이스에도 셀 어셈블리(20)의 상부가 안착될 수 있도록 셀 어셈블리(20)의 상부 형상에 대응되는 요홈이 마련된다. 상기 요홈은 경우에 따라 생략하여도 무방하다. 그리고 상부 케이스와 하부 케이스는 상호 분리되어 있을 수도 있고, 한 변을 공유하여 서로 연결되어 있을 수도 있다.
상기 하부 케이스의 요홈에 셀 어셈블리(20)가 안착되면 상부 케이스로 셀 어셈블리(20)의 상부를 덮고 하부 케이스와 상부 케이스의 주변부를 열 융착시켜 파우치 케이스(40)를 긴밀하게 밀봉한다.
열 융착 공정의 진행을 위해 파우치 케이스의 내면에는 열접착층으로서, 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene: CPP)과 같은 변성 폴리프로필렌, 폴리프로필렌과 부틸렌과 에틸렌 삼원 공중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 열접착층은 대략 30 내지 40um의 두께를 가지며, 금속 박막에 코팅 또는 라미네이팅될 수 있다. 또한 파우치 케이스(20)의 외면에는 금속 박막이 외부에 노출되는 것을 방지하고 금속 박막의 스크래치 등을 방지하기 위해 통상 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등으로 이루어진 외부층이 구비된다.
열 융착 공정의 진행 시, 파우치 케이스(40) 내에 셀 어셈블리(20)의 전기화학적 작동을 위해 필요한 전해액을 주입하기 위해 하부 케이스와 상부 케이스의 주변부 중 일부, 즉 전해액 주입부를 제외하고 열 융착을 한 후 전해액 주액을 하고 전해액 주입부를 열 융착하면 파우치 케이스(40) 내에 셀 어셈블리(20)가 밀봉된다. 대안으로서, 파우치 케이스(40) 외부의 용기에서 셀 어셈블리(20)에 전해액을 함침시킨 경우 전해액 주액 공정은 생략이 가능하다.
파우치 케이스(40)와 전극 리드(11, 12)의 접착성을 향상시키기 위해 전극 리드(11, 12)에는 절연 테이프(15)가 구비되는 것이 바람직하다. 절연 테이프(15)는 전극 리드(11, 12)와 파우치 케이스(40)의 접착성을 향상시키면서도 절연성이 있는 물질이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 예로, 상기 절연 테이프(15)는 폴리에틸렌, 폴리아세틸렌, PTFE, 나일론, 폴리이미드, 폴리에틸렌탈레프탈레이트, 폴리프로필렌, 또는 이들의 합성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 전해액 보충 튜브(30)는 사후적으로 전해액을 보충하기 위한 수단으로서 도 2에 도시된 바와 같이 파우치 케이스(40) 외부로 노출된 일단이 밀봉된 구조(I 참조)를 가진다. 밀봉된 구조는 전해액 보충 튜브(30)의 일단을 열 융착시켜 형성할 수 있다. 도 2에서, 번호 ①은 외부로 노출되는 부분을, 번호 ②는 파우치 케이스(40)와 열 융착이 이루어지는 부분을, 번호 ③은 파우치 케이스(40) 내부로 삽입되는 부분을 나타낸다.
상기 전해액 보충 튜브(30)는 셀 어셈블리(20)의 네 변 중 전극 리드가 접속되지 않은 변과 접한 상태로 셀 어셈블리(20)와 함께 파우치 케이스(40)에 밀봉된다.
상기 전해액 보충 튜브(30)의 외주면 중 일부는 파우치 케이스(40) 가장 자리에 대한 열 융착 공정이 진행될 때 파우치 케이스(40)의 내측면과 열 융착된다. 이 때, 파우치 케이스(40)와 전해액 보충 튜브(30)의 접착력을 향상시키기 위해 파우치 케이스(40)와 전해액 보충 튜브(30)의 열 융착 면에 절연 테이프(16)가 개재되는 것이 바람직하다.
절연 테이프(16)는 도 2의 부위 ②에 부착되며 파우치 케이스(40)의 가장 자리에 대한 열 융착 공정의 진행 시 절연 테이프(16)와 파우치 케이스(40) 내측면의 열 융착도 함께 이루어진다.
절연 테이프(16)의 재질은 전극 리드(11, 12)와 파우치 케이스(40)의 열 융착 면에 개재된 절연 테이프(15)와 동일할 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
바람직하게, 상기 전해액 보충 튜브(30)가 파우치 케이스(40) 내부로 삽입된 길이(L)는 셀 어셈블리(20) 길이의 대략 1/2이다. 이러한 경우, 전해액 보충 튜브(30)를 통해 전해액을 보충할 때 전해액을 파우치 케이스(40)의 중앙에 공급함으로써 전해액의 함침 균일성을 향상시킬 수 있다.
상기 전해액 보충 튜브(30)을 통해 전해액을 보충할 때에는 먼저 전해액 보충 튜브(30) 끝단의 밀봉 부위를 절단하여 제거한다. 그런 다음 개방된 전해액 보충 튜브(30)의 끝단을 통해 필요한 량만큼 전해액을 주입한다. 그러고 나서 전해액 보충 튜브(30)의 끝단을 열 융착시켜 다시 밀봉한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 전해액 보충 튜브(30)에는 도 3에 도시된 바와 같이 길이 방향을 따라 적어도 하나 이상의 전해액 분출 개구(31)가 일정한 간격으로 형성되어 있을 수 있다. 전해액 분출 개구(31)가 형성되면 전해액이 보충될 때 전해액 분출 개구(31)를 통해 전해액이 파우치 케이스(40) 내부 공간으로 골고루 분산되는 효과가 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 전해액 보충 튜브(30)에는 도 4에 도시된 바와 같이 길이 방향을 따라 적어도 하나 이상의 전해액 분출 개구(31)가 일정한 간격으로 형성됨과 동시에 전해액 보충 튜브(30)의 타단도 밀봉된 구조(II 참조)를 가질 수 있다. 이러한 구조가 채용되면, 전해액 분출 개구(31)를 통해서만 전해액이 분출되므로 파우치 케이스(40)의 내부 공간으로 전해액을 보다 고르게 분산시킬 수 있다.
전해액 보충 튜브(30)가 도 3 및 도 4에 도시된 구조를 가지는 경우 ③ 부위의 길이는 셀 어셈블리(20)의 길이와 대응하는 것이 바람직하다. 그런 경우, 파우치 케이스(40)의 내부 공간 전체에 걸쳐 고르게 전해액을 분산시킬 수 있다.
전해액 보충 튜브(30)는 그 단면이 도 5에 도시된 바와 같이 실질적으로 'ㅡ' 자형 구조를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 단면 구조는 원형 구조를 가진 전해액 보충 튜브(30)를 압착시켜 형성할 수 있다. 전해액 보충 튜브(30)의 단면 구조가 실질적으로 'ㅡ' 구조를 가지면, 파우치 케이스(40)의 가장 자리를 열 융착시킬 때 전해액 보충 튜브(30)가 배치된 부위의 단차가 최소화되므로 전해액 보충 튜브(30)가 노출된 부위의 열 융착 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 전해액 보충 튜브(30)의 단면 형상은 상기한 바에 한정되지 않으므로 원형, 타원형 등의 다른 형상을 가질 수도 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
전해액 보충 튜브(30)의 재질은 특별히 제안되지는 않으나, 폴리에스테르 수지와 같이 연성이 있고 투명한 재질의 폴리머인 것이 바람직하다. 전해액 보충 튜브(30)가 투명한 재질로 이루어지면, 전해액 보충 튜브(30)를 통해 유입된 전해액이나 가스 등의 색깔을 감지할 수 있으므로 전해액 보충 시점을 용이하게 판별할 수 있는 이점이 있다.
또한 외부로 노출된 전해액 보충 튜브(30)의 밀봉 부위는 파우치 케이스(40) 내부의 압력이 임계 값 이상으로 상승하였을 때 개봉되어 벤트(vent) 메커니즘을 제공할 수 있도록 열 융착 강도를 적절하게 조절하는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 전해액 보충 튜브의 열 융착 강도는 2Ah 이하의 용량을 갖는 셀의 경우 2.8~3.2 atm, 그리고 2Ah를 넘는 용량을 갖는 셀의 경우 0.8~1.2atm의 압력에서 벤트되도록 설정될 수 있다.
상기 열 융착 강도의 조절은 시행착오법(trial and error)에 의해 결정할 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
도 6 및 도 7은 전해액 보충 튜브(30)의 다양한 밀봉 위치를 보여주는 파우치형 이차 전지의 사시도이다.
상기 전해액 보충 튜브(30)는 도 6에 도시된 바와 같이 전극 리드(11, 12)가 노출된 방향의 반대 방향에 배치할 수도 있고 도 7에 도시된 바와 같이 이차 전지의 중심선 부근에 배치할 수도 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않으므로 전해액 보충 튜브(30)의 위치는 얼마든지 변형이 가능하다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전해액 보충 부재가 도입된 파우치형 이차 전지의 사시도이고, 도 9는 도 8의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 전해액 보충 부재는 파우치 케이스(40)에 결합된 고무 패킹(50)이다. 상기 고무 패킹(50)은 기둥 형상으로 이루어진 몸체(51)와, 몸체(51)의 하단으로부터 라디얼(radial) 방향으로 연장된 플랜지(52)를 구비한다. 상기 플랜지(52)의 상면은 상부에 있는 파우치 케이스(40)의 내면과 접합된다. 상기 플랜지(52)와 파우치 케이스(40)는 열 융착 공정에 의해 접합될 수도 있고, 접착제에 의해 접합될 수도 있다. 바람직하게, 상기 몸체(51)의 하단에는 요홈(53)이 구비된다. 상기 요홈(53)은 외부에서 전해액을 보충하기 위한 바늘이 몸체(51)를 관통하여 삽입되었을 때 바늘 끝단이 셀 어셈블리(20)에 접촉하지 않고 노출되는 공간을 제공한다. 즉, 상기 요홈(53)은 전해액을 보충하는 과정에서 전해액 주입 바늘이 셀 어셈블리(20)를 관통시켜 내부 단락을 유발하는 것을 방지한다.
도 10은 상기 고무 패킹(50)을 통해 전해액을 보충하는 모습을 도시한 공정 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 상기 고무 패킹(50)을 통해 전해액을 주입할 때에는 전해액을 분출할 수 있는 전해액 주입 바늘(60)을 고무 패킹(50)을 통해 상기 요홈(53)이 형성된 공간까지 삽입한다. 이 때, 전해액 주입 바늘(60)의 정확한 삽입을 위해 전해액 주입 바늘(60)에는 스토퍼(61)가 구비되는 것이 바람직하다. 여기서, 스토퍼(61)는 전해액 주입 바늘(60)의 삽입 위치를 일정하게 고정시킴으로써 전해액 주입 바늘(60)이 셀 어셈블리(20)에 접촉되는 원천적으로 방지한다. 전해액 주입 바늘(60)이 요홈(53)이 형성된 공간까지 삽입되면 전해액 주입 바늘(60)을 통해 전해액을 원하는 량만큼 주입하면 전해액의 보충이 이루어진다.
상기 고무 패킹(50)의 재질은 특별히 제한하는 것은 아니지만 이차 전지의 작동 온도와 사용 환경 등을 고려하여 내열성, 내화학성, 내오존성, 내마모성, 탄성력 등이 우수한 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 고무 패킹(50)은 나트릴 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 부틸 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 아크릴 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 부타디엔 고무 등으로 이루어질 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상술한 본 발명의 실시예에 따르면, 간단한 구조의 전해액 보충 부재를 파우치형 이차 전지에 도입하여 전해액을 여러 번에 보충할 수 있도록 함으로써 이차 전지의 수명을 연장할 수 있다. 또한, 전해액 보충 부재가 파우치 케이스와 긴밀하게 결합되므로 파우치 케이스의 밀봉 특성이 실질적으로 저하되지 않는 장점이 있다. 나아가, 전해액 보충 부재를 통해 이차 전지 내부의 물질 상태를 육안으로 확인할 수 있으므로 전해액의 보충 시점을 쉽게 판별할 수 있다.
상술한 실시 예에서, 상부, 하부 또는 상하 등으로 표현된 용어는 구성요소를 상대적으로 구분하거나 정의하기 위한 도구적 개념일 뿐이며, 절대적인 기준에서 물리적인 구성을 구분하기 위하여 사용된 용어가 아님은 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 파우치형 이차 전지 11, 12: 전극 리드
13, 14: 전극 탭 15, 16: 절연 테이프
20: 셀 어셈블리 30: 전해액 보충 튜브
31: 전해액 분출 개구 40: 파우치 케이스
50: 고무 패킹 51: 몸체
52: 플랜지 53: 요홈
60: 전해액 보충 바늘 61: 스토퍼
13, 14: 전극 탭 15, 16: 절연 테이프
20: 셀 어셈블리 30: 전해액 보충 튜브
31: 전해액 분출 개구 40: 파우치 케이스
50: 고무 패킹 51: 몸체
52: 플랜지 53: 요홈
60: 전해액 보충 바늘 61: 스토퍼
Claims (11)
- 반대 극성의 전극 리드가 부착된 셀 어셈블리;
일단이 밀봉되어 있는 전해액 보충 튜브; 및
가장 자리의 열 융착을 통해, 상기 전극 리드의 일부와 상기 전해액 보충 튜브의 밀봉 부위가 외부로 노출되도록 상기 전해액 보충 튜브와 상기 셀 어셈블리를 밀봉하는 파우치 케이스;를 포함하고,
상기 전해액 보충 튜브는 압착된 상태로 상기 파우치 케이스에 밀봉된 것임을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해액 보충 튜브의 길이 방향을 따라 전해액 분출 개구가 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지. - 제2항에 있어서,
상기 전해액 분출 개구는 일정한 간격으로 반복 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지. - 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 전해액 보충 튜브의 양단이 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해액 보충 튜브는, 상기 전극 리드가 결합되어 있지 않은 상기 셀 어셈블리의 변 부와 마주 대하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해액 보충 튜브는, 상기 셀 어셈블리의 중심 부위에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해액 보충 튜브와 상기 파우치 케이스의 열 융착 계면에 절연 테이프가 개재된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해액 보충 튜브는 투명하고 연성이 있는 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해액 보충 튜브의 일단은 열 융착에 의해 밀봉된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해액 보충 튜브의 밀봉 강도는 2Ah 이하의 용량을 갖는 셀의 경우 2.8~3.2atm 압력에서 벤트되도록 설정되고, 2Ah를 넘는 용량을 갖는 셀의 경우 0.8~1.2atm의 압력에서 벤트되도록 설정된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해액 보충 튜브는 'ㅡ' 자형으로 압착된 상태로 상기 파우치 케이스에 밀봉된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
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2010
- 2010-12-20 KR KR1020100130793A patent/KR101245284B1/ko active IP Right Grant
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