KR101295520B1 - 전극패턴을 포함하고 있는 전지셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기절연성 코팅이 외면에 형성되어 있거나 또는 전기절연성 소재로 이루어진 전지케이스; 상기 전지케이스 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체; 상기 전극조립체의 전극이 전지케이스의 단부로부터 일부 돌출되어 형성된 전극단자; 및 상기 전극단자에 전기적으로 연결된 상태에서 전지케이스의 외면에 패턴화되어 있는 전극 패턴; 을 포함하고 있는 전지셀을 제공한다.
Description
본 발명은 전극패턴을 포함하고 있는 전지셀로서, 더욱 상세하게는, 전기절연성 코팅이 외면에 형성되어 있거나 또는 전기절연성 소재로 이루어진 전지케이스, 상기 전지케이스 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있는 전극조립체, 상기 전극조립체의 전극이 전지케이스의 단부로부터 일부 돌출되어 형성된 전극단자, 및 상기 전극단자에 전기적으로 연결된 상태에서 전지케이스의 외면에 패턴화되어 있는 전극 패턴을 포함하고 있는 전지셀에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등을 포함하여 고출력 대용량이 요구되는 디바이스의 동력원으로서 주목받고 있다.
이러한 디바이스에는 고출력 대용량의 제공을 위해 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지셀(10)은 두 개의 전극단자(11, 12)가 서로 대향하여 전지 본체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 전지케이스(14)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)를 부착시킴으로써 전지셀(10)이 만들어진다.
전지케이스(14)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다. 양측면(14a)은 상하 외장부재(14)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(14b)와 하단부(14c)에는 전극단자(11, 12)가 돌출되어 있으므로 전극단자(11, 12)의 두께 및 외장부재(14) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극단자(11, 12)와의 사이에 필름상의 실링부재(16)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
그러나, 이러한 전지셀은 전극단자가 외부로 돌출되어 있는 구조로 인해 전지의 부피가 증가하고, 외부 충격시 전극단자가 파손될 가능성이 높다.
특히, 대용량 전지셀을 구성할 경우, 고전류에 의한 저항의 증가로 발열이 일어나 단선이 될 수 있고, 전지셀의 낮은 기계적 강성은 충방전시 전지셀의 반복적인 팽창 및 수축으로 나타나며, 그로 인해 열융착 부위가 분리되는 경우도 초래된다.
따라서, 콤팩트하면서 안전한 구조의 전극단자를 포함하는 전지셀에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 신규한 구조의 전극단자 및 전극패턴을 사용함으로써, 전지셀의 부피를 최소화하며 전기적으로 안전하게 연결시킬 수 있는 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
전기절연성 코팅이 외면에 형성되어 있거나 또는 전기절연성 소재로 이루어진 전지케이스;
상기 전지케이스 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체;
상기 전극조립체의 전극이 전지케이스의 단부로부터 일부 돌출되어 형성된 전극단자; 및
상기 전극단자에 전기적으로 연결된 상태에서 전지케이스의 외면에 패턴화되어 있는 전극 패턴;
을 포함하는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은 상기와 같은 특정한 구조의 전극단자를 포함하고 있어서, 종래기술의 돌출된 전극단자와는 달리 전지셀의 부피가 크게 감소될 수 있고, 전지케이스의 외면에 패턴화되어 있는 전극 패턴으로 인해, 발열에 따른 단선을 미연에 방지하여 전지셀의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 전지케이스는 전기절연성의 소재로 이루어진 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고 전기절연성 외층을 포함하고 있을 수 있다.
상기 전극조립체의 전극은 일부가 돌출되어 있는 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 양극 및 음극은 전지케이스의 일측 단부에 함께 돌출되어 있거나, 전지케이스의 양측 대향 단부에 각각 돌출되어 양극단자 및 음극단자를 형성하고 있을 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전극단자의 돌출 높이는 전지케이스의 상하 길이를 기준으로 0.1 내지 10%의 크기일 수 있으며, 예를 들어, 0.5 mm 내지 10 mm일 수 있다. 상기 돌출 높이가 너무 낮은 경우에는 상기 전극패턴과의 연결이 용이하지 않으며, 반대로 너무 높은 경우에는 전지셀의 부피가 증가하고, 외부 충격시 전극단자가 파손될 수 있는 종래의 문제점을 그대로 내포하므로 바람직하지 않다.
상기 전극 패턴은 전지셀의 구조에 따라 다양한 위치에 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 전지케이스의 일면 또는 양면에 형성되어 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 전지케이스의 양측 대향 단부에 각각 돌출되어 양극단자 및 음극단자를 포함하는 경우, 상기 전극 패턴 중 양극 패턴은 양극단자가 위치하는 전지케이스의 단부에 인접한 측면 단부 또는 대향 단부에 도달하도록 양극단자부터 연장된 상태로 형성되어 있고, 음극 패턴은 음극단자가 위치하는 전지케이스의 단부에 인접한 측면 단부 또는 대향 단부에 도달하도록 음극단자부터 연장된 상태로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 전극조립체의 양극 및 음극이 전지케이스의 일측 단부에 함께 돌출되어 있는 경우, 상기 전극 패턴은 전지케이스의 중앙에 도달하도록 전극 단부로부터 연장된 상태로 형성되어 있을 수 있다.
또한, 양극 패턴은 전지케이스의 상면에 형성되어 있고, 음극 패턴은 전지케이스의 하면에 형성되어 있는 구조; 전지셀의 상면과 하면에 각각 양극 패턴과 음극 패턴이 함께 형성되어 있는 구조; 양극 또는 음극 패턴이 전지셀의 상면 전체에 형성되어 있고 음극 또는 양극 패턴이 전지셀의 하면 일부에 형성되어 있는 구조, 양극 또는 음극 패턴이 전지셀의 상면에 분지된 형태로 형성되어 있고, 음극 또는 양극 패턴이 그러한 분지 사이에 형성되어 있는 구조; 전극 패턴들이 단부 방향에서 폭이 증가하는 구조 등 매우 다양한 형태가 가능하다.
즉, 상기 전극 패턴은 전지셀의 전극단자 위치에 따라 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 전지셀에 고정적으로 형성되어 있던 종래의 전극단자와 비교하여 그 위치에 유연성을 발휘할 수 있고, 그에 따라 보다 콤팩트한 전지셀을 이룰 수 있다.
상기 전극 패턴은, 바람직하게는, 전극단자에 전기적으로 연결되며 도전성을 부여할 수 있도록 금속층을 포함할 수 있다. 이러한 금속층 소재의 종류는 특별히 제한이 없으며, 예를 들어, 은, 구리, 알루미늄, 주석, 및 인듐 주석산화물(ITO) 등 다양한 소재로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
이러한 금속층은 다양한 방식으로 전극 패턴을 형성할 수 있는 바, 예를 들어, 금속 페이스트 또는 상온 전도성 고분자 수지를 도포하여 형성될 수 있으며, 이는 전극 프린팅기를 이용하여 패턴을 인쇄하는 방식으로 도전성을 형성한다.
구체적으로, 상기 금속 페이스트에는 금속 분말, 바인더 및 용재가 포함되어 있으며, 전지케이스 상에 도포한 상태에서 경화 또는 건조시켜 전극 패턴을 형성할 수 있다.
상기 상온 전도성 고분자 수지에는 도전성 필러와 에폭시 수지의 기재가 포함될 수 있으며, 전지케이스 상에 도포한 상태에서 경화 또는 건조시켜 전극 패턴을 형성하게 된다.
그러나, 도전층을 형성하는 다양한 방법이 가능할 수 있음은 물론이며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 구조의 전지셀이 둘 이상의 개수로 순차적으로 적층되어 형성되어 있는 전지모듈을 제공한다.
이러한 전지셀은 다양한 잇점을 발휘하는 바, 예를 들어, 전극 패턴이 전지셀의 양면에 형성되어 있는 경우, 별도의 접속부재를 사용하지 않고도 전지셀의 적층에 의해 전기적 접속을 달성할 수 있는 특징을 갖는다.
또한, 본 발명은 상기 전지모듈을 전원으로 포함하는 차량을 제공한다.
상기 구조의 차량은 특히 소망하는 출력 및 용량에 따라 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차로 사용될 수 있다.
이러한 차량의 종류는 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 전극조립체의 전극이 전지케이스의 단부로부터 일부 돌출되어 형성된 전극단자에 전기적으로 연결된 상태에서 전지케이스의 외면에 패턴화되어 있는 전극 패턴을 포함하고 있으므로, 전지셀의 부피를 최소화하며 전지셀의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지셀의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 패턴을 포함한 전지셀의 사시도이다;
도 3은 도 2의 전극 패턴의 부분 측면도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 패턴을 포함한 전지셀의 사시도이다;
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전극 패턴을 포함한 전지셀의 사시도들이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 패턴을 포함한 전지셀의 사시도이다;
도 3은 도 2의 전극 패턴의 부분 측면도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 패턴을 포함한 전지셀의 사시도이다;
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전극 패턴을 포함한 전지셀의 사시도들이다.
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 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 패턴을 포함한 전지셀의 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전극 패턴의 부분 측면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지셀(100)은 전기절연성 소재로 이루어진 전지케이스(130)와 전지케이스(130) 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(도시하지 않음), 전극조립체의 전극이 전지케이스(130)의 양측 대향 단부에 각각 일부 돌출되어 형성된 양극(110)과 음극(120) 및 양극(110)과 음극(120)에 전기적으로 연결된 상태에서 전지케이스의(130) 외면에 패턴화되어 있는 양극 패턴(150) 및 음극 패턴(160)으로 이루어져 있다.
전지케이스(130)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고 전기절연성 외층을 포함한다.
양극(110) 및 음극(120)의 돌출 높이(h)는 전지케이스(130)의 상하 길이(L)를 기준으로 0.5 %의 크기이며 대략 0.5 mm 이다.
양극 패턴(150) 및 음극 패턴(160)은 전지케이스(130)의 일면에 형성되어 있으며, 구체적으로, 양극 패턴(150)은 양극단자(110)가 위치하는 전지케이스(130)의 단부에 인접한 대향 단부에 도달하도록 양극단자(110)부터 연장된 상태로 형성되어 있고, 음극 패턴(160)은 음극단자(120)가 위치하는 전지케이스(130)의 단부에 인접한 대향 단부에 도달하도록 음극단자(120)부터 연장된 상태로 형성되어 있다.
또한, 양극 패턴(150) 및 음극 패턴(160)는 금속층을 포함하고 있으며, 예를 들어, 구리, 알루미늄, 주석, 및 인듐 주석산화물(ITO)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어져 있다.
이러한 금속층은 도전성 필러와 에폭시 수지를 포함한 상온 전도성 고분자 수지(155)를 전지케이스(130)상에 도포한 상태에서 경화 또는 건조시켜 양극 패턴(150) 및 음극 패턴(160)을 형성한다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 패턴을 포함한 전지셀의 사시도가 도시되어 있다.
도 4를 도 2 및 도 3과 함께 참조하면, 전지셀(200)은 전극조립체의 양극(210) 및 음극(220)이 전지케이스(230)의 일측 단부에 함께 돌출되어 있고, 전극 패턴(250, 260)은 전지케이스(230)의 중앙에 도달하도록 양극(210) 및 음극(220)으로부터 연장된 상태로 형성되어 있는 점을 제외하고는 도 2 및 도 3과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5 내지 도 7에는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전극 패턴을 포함한 전지셀의 사시도들이 도시되어 있다.
우선, 도 5를 참조하면, 전지셀(300)에서 양극 패턴(350)은 전지케이스의 상면(131)에 형성되어 있고, 음극 패턴(360)은 전지케이스의 하면(132)에 형성되어 있다. 즉, 양극 패턴(350)과 음극 패턴(360)이 서로 반대면에 각각 형성되어 있다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 전지셀(400)에서 양극 패턴(450)은 양극단자(410)가 위치하는 전지케이스(430)의 단부에 인접한 측면 단부(441)에 도달하도록 양극단자(401)부터 연장된 상태로 형성되어 있고, 음극 패턴(460)은 음극단자(420)가 위치하는 전지케이스(430)의 단부에 인접한 대향 단부(442)에 도달하도록 음극단자(420)부터 연장된 상태로 형성되어 있다.
끝으로, 도 7을 참조하면, 전지셀(500)에서 양극 패턴(550)과 음극 패턴(560)은 그것의 단부 부위(a)에서 폭이 증가한 구조로 형성되어 있다.
이와 같이, 전극단자에 전기적으로 연결되어 전지케이스의 외면에 패턴화되어 있는 전극 패턴은 매우 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 전지셀이 사용되는 디바이스 또는 전지셀을 다수 개 포함하는 전지팩에서의 구조적 요건에 부합하면서, 전반적으로 안전적이고 콤팩트한 구조를 제공할 수 있다.
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)
- 전기절연성 코팅이 외면에 형성되어 있거나 또는 전기절연성 소재로 이루어진 전지케이스;
상기 전지케이스 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체;
상기 전극조립체의 전극이 전지케이스의 단부로부터 일부 돌출되어 형성된 전극단자; 및
상기 전극단자에 전기적으로 연결된 상태에서 전지케이스의 외면에 패턴화되어 있는 전극 패턴;
을 포함하고,
상기 전극단자의 돌출 높이는 전지케이스의 상하 길이를 기준으로 0.1 내지 10%의 크기이고, 0.5 mm 내지 10 mm이며,
상기 전극 패턴은 금속층을 포함하고 있고, 상기 금속층은 금속 페이스트 또는 상온 전도성 고분자 수지를 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전지셀. - 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고 전기절연성 외층을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 양극 및 음극은 전지케이스의 일측 단부에 함께 돌출되어 있거나, 전지케이스의 양측 대향 단부에 각각 돌출되어 양극단자 및 음극단자를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극 패턴은 상기 전지케이스의 일면 또는 양면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극 패턴 중 양극 패턴은 양극단자가 위치하는 전지케이스의 단부에 인접한 측면 단부 또는 대향 단부에 도달하도록 양극단자부터 연장된 상태로 형성되어 있고, 음극 패턴은 음극단자가 위치하는 전지케이스의 단부에 인접한 측면 단부 또는 대향 단부에 도달하도록 음극단자부터 연장된 상태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극 패턴은 전지케이스의 중앙에 도달하도록 전극단부로부터 연장된 상태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극 패턴은 하기에서 선택되는 하나의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀:
양극 패턴은 전지케이스의 상면에 형성되어 있고, 음극 패턴은 전지케이스의 하면에 형성되어 있는 구조;
전지셀의 상면과 하면에 각각 양극 패턴과 음극 패턴이 함께 형성되어 있는 구조;
양극 또는 음극 패턴이 전지셀의 상면 전체에 형성되어 있고 음극 또는 양극 패턴이 전지셀의 하면 일부에 형성되어 있는 구조;
양극 또는 음극 패턴이 전지셀의 상면에 분지된 형태로 형성되어 있고, 음극 또는 양극 패턴이 그러한 분지 사이에 형성되어 있는 구조; 및
전극 패턴들이 단부 방향에서 폭이 증가하는 구조. - 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속층은 은, 구리, 알루미늄, 주석, 및 인듐 주석산화물(ITO)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 페이스트는 금속 분말, 바인더 및 용재를 포함하고 있으며, 전지케이스 상에 도포한 상태에서 경화 또는 건조시켜 전극 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상온 전도성 고분자 수지는 도전성 필러와 에폭시 수지의 기재를 포함하고 있으며, 전지케이스 상에 도포한 상태에서 경화 또는 건조시켜 전극 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항 내지 제 3 항, 제 6 항 내지 제 9 항, 제 11 항, 제 13 항 및 제 14 항 중 어느 하나에 따른 전지셀 둘 이상이 순차적으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 15 항에 따른 전지모듈을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 차량.
- 제 16 항에 있어서, 상기 차량은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 차량.
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| KR1020100096648A KR101295520B1 (ko) | 2010-10-05 | 2010-10-05 | 전극패턴을 포함하고 있는 전지셀 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020100096648A KR101295520B1 (ko) | 2010-10-05 | 2010-10-05 | 전극패턴을 포함하고 있는 전지셀 |
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| JP2001052751A (ja) | 1999-08-03 | 2001-02-23 | Mitsubishi Chemicals Corp | 固体状電解質二次電池ユニット |
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2010
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