KR101261243B1 - 변형된 구조의 보호테이프를 포함하는 전지셀 및 이를 포함하고 있는 전지모듈 - Google Patents

Abstract

수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스의 외부로 돌출된 전극단자들과 연결된 상태로 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 전극단자와 전극조립체의 연결부위에는 보호테이프가 전극조립체의 높이 방향으로 너비(폭)이 증가하는 구조로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

변형된 구조의 보호테이프를 포함하는 전지셀 및 이를 포함하고 있는 전지모듈 {Battery Cell Containing Protection Type of Modified Structure And Battery Module Employed with the Same}

본 발명은 변형된 구조의 보호테이프를 포함하는 전지셀 및 이를 포함하고 있는 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스의 외부로 돌출된 전극단자들과 연결된 상태로 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 전극단자와 전극조립체의 연결부위에는 보호테이프가 전극조립체의 높이 방향으로 너비(폭)이 증가하는 구조로 부착되어 있는 전지셀에 관한 것이다.

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.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.

또한, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호, 제2001-82060호 등에 개시되어 있다.

구체적으로, 도 1에는 젤리-롤형 전극 조립체를 포함하고 있는 파우치형 전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 스택/폴딩형 전극조립체를 모식적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1 및 도 2의 파우치형 전지의 정면 투시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)에 연결되어 있는 전극단자(60, 70), 및 전극조립체(30)을 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(30)는 젤리-롤형 구조로서, 양극/분리막/음극 구조로 긴 시트들이 권취되어 있는 구조로 이루어져 있다.

한편, 도 2의 전극조립체(40)는 양극(42)과 음극(44) 사이에 개재되는 분리막(46)이 개재되어 있는 다수의 바이셀들(40)이 다공성 분리막(46)에 의해 폴딩되어 있는 발전소자로서, 스택/폴딩형 구조의 일부를 나타내고 있는 점을 제외하면, 이차전지의 기타 구성은 도 1의 구조와 동일하므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

전극단자(60, 70)는 전극조립체(30)의 각 극판(양극 집전체, 음극 집전체)에, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극단자(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.

전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)을 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상으로 이루어져 있다.

이차전지(10)는 전지케이스(20)의 수납부에 전극조립체(30)을 장착한 상태에서 전지케이스(20) 외주면의 접촉부위를 상호 열융착시켜 제조되는 바, 이러한 열융착 부위는 100℃ 이상의 고온에서 실링되며, 이 때 전지케이스의 수지층이 녹으면서 접착된다.

한편, 일반적으로 전극조립체(30)와 전극단자(60, 70)의 연결부위에는 내부단락 및 부식 등이 유발되는 것을 방지하기 위하여, 도 4a 및 4b와 같이, 보호테이프(90, 95)가 부착된다.

그러나, 전지케이스(20)의 열융착시, 고온에 의해 내부 수지층이 녹으면서 절연필름(80) 하단에 위치하는 보호테이프(90, 95)가 말려들어가거나 찢어지는 등의 간섭 현상이 일어날 수 있으며, 결과적으로 부식 및 파열로 인한 절연 저항의 불량이 여전히 해소되지 못하는 문제점이 있다. 경우에 따라서는, 보호테이프(90, 95)가 전지케이스(20)의 열융착을 부분적으로 방해하여 밀봉성이 저해되는 문제점도 발생한다.

따라서, 이를 해결하기 위한 많은 기술들이 일부 제안되었으나, 전지의 제조비용을 상승시키거나 조립공정을 복잡하게 하는 문제점을 유발하였다.

결과적으로, 전지의 공정과정을 그대로 유지하면서 상기 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

이와 관련하여 본 발명은, 상기 문제점들을 해결할 수 있도록, 특정한 형태의 보호테이프를 전극조립체와 전극단자 연결부위에 부착함으로써, 열융착시 간섭 현상을 근본적으로 방지하면서 전지 제조시의 상기 문제점들을 방지할 수 있는 전지셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스의 외부로 돌출된 전극단자들과 연결된 상태로 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 전극단자와 전극조립체의 연결부위에는 보호테이프가 전극조립체의 높이 방향으로 너비(폭)이 증가하는 구조로 부착되어 있다.

따라서, 본 발명은 전극단자와 전극조립체의 연결부위에 신규한 구조의 보호테이프가 부착됨으로써, 열융착시 발생할 수 있는 내부 단락 및 부식 등의 발생과 열융착에 대한 간섭 현상을 미연에 방지할 수 있다. 즉, 결과적으로 전지의 조립과정 중 별도의 첨가물 및 추가 공정 없이 구조적 측면에서의 일부 변경만으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 상기 전극조립체는 전극단자와 전극조립체의 연결부위에 보호테이프가 부착될 수 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 권취형 또는 스택/폴딩형 전극조립체에 바람직하게 적용될 수 있다.

일반적으로 젤리-롤형 전극조립체는 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조되어 수평 단면 상으로 원형의 형상을 이룬다. 또한, 스택/폴딩형 전극조립체에서는, 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 개재되어 있는 다수의 바이셀들이 다공성 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 구조로 수평 단면 상으로 직사각형의 형상을 이룬다.

이러한 전극조립체들은 케이스에 맞게 형상을 조절하기도 하는 바, 파우치형 전지케이스에 들어가는 젤리-롤은 젤리-롤 측면에 압력을 가하여, 수평 단면에서의 원 형상을 타원 형상으로 만들어 파우치형 전지케이스에 삽입되고, 스택/폴딩형 전극조립체는 바이셀들이 적층된 직사각형의 형상으로 파우치형 전지케이스에 삽입된다. 따라서 상기 젤리-롤의 수평 단면은 바람직하게는 타원형 또는 직사각형의 형상으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 전지셀은 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지일 수 있다.

상기 파우치형 케이스는 전극조립체를 내장한 상태에서, 예를 들어, 열융착에 의해 밀봉되고, 상기 전극단자는 전극조립체의 집전체 중 무지부에 용접 방식으로 결합되어 있으며, 전지셀의 내부단락 및 부식을 방지하기 위하여, 바람직하게는 열융착 실링부의 하단과 용접 부위 사이에 보호 테이프가 접착되어 있을 수 있다.

상기 보호테이프는 전극조립체의 높이를 기준으로 5 내지 30%의 크기로 부착되는 것이 바람직하다. 부착되는 보호테이프의 길이가 너무 짧으면, 내부단락 및 부식을 방지하는 역할을 수행하기가 어려울 수 있으며, 반대로, 길이가 너무 길면, 전극조립체의 두께가 증가하여 전체적인 전지의 용량이 줄어들 수 있으므로, 바람직하지 않다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 보호테이프의 상단은 열융착 실링부의 하단에 점접촉 상태로 부착되어 있을 수 있다. 즉, 실링부 하단에 선접촉 상태로 부착되어 있던 종래의 보호테이프와 비교하여, 열융착시 상기 실링부로 보호테이프가 말려들어가거나 찢어지는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에서, 전극단자와 전극조립체의 연결부위에 보호테이프가 전극조립체의 높이 방향으로 너비(폭)이 증가하는 구조로 부착되어 있다는 것은, 보호테이프에서 열융착 실링부에 인접한 보호테이프의 상단부의 형상이 젤리-롤 쪽으로 그것의 너비(폭)이 증가하는 구조로 부착되어 있음을 의미한다.

따라서, 하나의 바람직한 예에서, 상기 보호테이프는 보호테이프의 상단이 열융착 실링부의 하단에 점접촉 상태로 부착되는 형태일 수 있다. 반면에, 보호테이프의 하단부의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니므로, 보호테이프의 전반적인 형상은, 예를 들어, 평면상으로 삼각형 형태 또는 마름모 형태일 수도 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 보호테이프의 상단은 열융착 실링부의 하단으로부터 소정 거리만큼 이격된 상태로 부착되어 있으며, 바람직하게는 상기 보호테이프의 상단과 열융착 실링부의 하단 사이의 이격 거리는 0.5 내지 2 mm일 수 있다. 즉, 상기 보호테이프 상단의 이격 거리에 의해, 앞서 설명한 바와 같은 열융착시 발생하는 문제점들을 미연에 방지할 수도 있다.

한편, 상기 보호테이프는, 전지와 화학적 반응을 일으키지 않는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 소수성, 내화학성이 우수한 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지 및 폴리이미드계 수지가 사용될 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 보호테이프는 30 내지 100 ㎛ 두께를 가지고 있을 수 있으며, 상기 보호테이프의 최대 폭은 전극단자의 폭을 기준으로 105 내지 180% 크기일 수 있다. 상기 보호테이프의 두께 및 폭이 너무 좁으면, 전극조립체 내부의 팽창과 수축에 의해 늘어나거나 끊어지기 쉽고, 두께 및 폭이 너무 넓으면, 그만큼 전극조립체의 두께가 증가하므로 바람직하지 않다.

또 다른 바람직한 예에서, 상기 보호테이프는 전극단자와 전극조립체의 연결부위에 부착되어 있는 바, 예를 들어, 접착방식으로 부착되어 있거나, 또는 상기 연결부위에 소정의 열을 가하여 열수축 현상을 이용하여 부착시킬 수 있다.

본 발명은 또한 상기 전지셀을 단위전지로서 포함하고 있는 전지모듈에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 높은 안전성을 가진 이차전지를 단위전지로서 사용함으로써, 다수의 이차전지들로 구성된 전지모듈에서 특히 문제가 되는 우수한 안전성과 긴 수명의 요구를 동시에 해결할 수 있다.

이차전지를 단위전지로 사용하는 전지모듈의 구조 및 그것의 제조 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이상에서 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 전극단자와 전극조립체의 연결부위에 보호테이프가 전극조립체의 높이 방향으로 너비(폭)이 증가하는 구조로 부착됨으로써, 전지의 제조과정에서 불량을 최소화할 수 있는 효과와 더불어 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 젤리-롤을 내장한 종래기술의 파우치형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 스택/폴딩형 전극조립체의 모식도이다;
도 3은 도 1의 정면 투시도이다;
도 4a 및 4b는 도 1의 이차전지에서 파우치형 케이스 안에 삽입되는 전극조립체의 모식도들이다;
도 5a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체 및 전극단자에 보호테이프가 부착된 모식도이다;
도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체 및 전극단자에 보호테이프가 부착된 모식도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체 및 전극단자에 보호테이프가 부착된 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 5a에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤 및 전극단자에 보호테이프가 부착된 모식도가 도시되어 있다.

도 5a를 도 1과 함께 참조하면, 열융착에 의해 밀봉되는 파우치형 케이스(20) 내에는, 분리막이 개재된 상태에서 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취한 후, 타원형 단면 형상으로 압축한 구조의 젤리-롤(130)이 내장되어 있다.

전극단자(170)는 젤리-롤(130)의 집전체 중 무지부(도시하지 않음)에 용접 방식으로 결합되며, 열융착 실링부(25)의 하단과 용접 부위 사이에 보호테이프(190)가 부착되어 있다.

보호테이프(190)는 평면상 삼각형 형태로서, 그 상단이 열융착 실링부(25)의 하단에 점접촉 상태로 부착되어 있으며, 젤리-롤(130)의 높이(h)를 기준으로 대략 10%의 크기이고, 접착제에 의한 접착 방식에 의해 부착되어 있다.

도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체 및 전극단자에 보호테이프를 부착된 모식도가 도시되어 있다.

도 5b를 참조하면, 보호테이프(192)는 평면상 마름모 형태인 구조를 제외하면, 전지셀의 기타 구성은 도 4a의 구조와 동일하므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체 및 전극단자에 보호테이프를 부착된 모식도가 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 보호테이프(194)는 평면상 마름모 형태로서, 보호테이프(194)의 상단은 열융착 실링부(25)의 하단으로부터 약 1 mm 만큼 이격된 상태(l)로 부착되어 있는 구조를 제외하면, 전지셀의 기타 구성은 도 4b의 구조와 동일하므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

또한, 도 5a와 같이, 보호테이프가 평면상 삼각형 형태인 구조를 사용할 수 있음은 물론이다.

이러한 구조는, 열융착시 발생할 수 있는 전지셀 내부 단락 및 부식을 방지하고, 구조적 측면에서의 일부 변경만으로 전지셀의 우수한 안전성을 제공한다.

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 (15)

1. 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스의 외부로 돌출된 전극단자들과 연결된 상태로 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 전극단자와 전극조립체의 연결부위에는 보호테이프가 평면상으로 삼각형 형태 또는 마름모 형태로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤형 또는 스택/폴딩형인 것을 특징으로 하는 전지셀.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 수평 단면은 타원형 또는 직사각형의 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 파우치형 케이스는 열융착에 의해 밀봉되고, 상기 전극단자는 전극조립체의 집전체 중 무지부에 용접 방식으로 결합되어 있으며, 열융착 실링부의 하단과 용접 부위 사이에 보호 테이프가 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 보호테이프는 전극조립체의 높이를 기준으로 5 내지 30%의 크기로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 보호테이프의 상단은 열융착 실링부의 하단에 점접촉 상태로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
8. 삭제
9. 제 5 항에 있어서, 상기 보호테이프의 상단은 열융착 실링부의 하단으로부터 소정 거리만큼 이격된 상태로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 보호테이프의 상단과 열융착 실링부의 하단 사이의 이격 거리는 0.5 내지 2 mm인 것을 특징으로 하는 전지셀.
11. 제 1 항에 있어서, 보호테이프는 폴리올레핀계 또는 폴리이미드계 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 보호테이프는 30 ~ 100 ㎛의 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 보호테이프의 최대 폭은 전극단자의 폭을 기준으로 105 내지 180% 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 테이프는 접착 방식으로 부착되어 있거나 또는 열에 의해 수축되면서 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
15. 제 1 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 14항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 단위전지로 포함하고 있는 전지모듈.

Images