KR101447064B1 - 연결 신뢰성이 향상된 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 전지셀로서, 전극조립체를 구성하는 각각의 전극판에는 활물질이 도포되어 있지 않은 탭(전극 탭)이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들이 적층되어 있는 일측 단부에는 전극 탭들을 전기적으로 연결하기 위한 전극리드가 위치되어 있으며, 전극 탭들과 전극리드의 전기적 연결 부위에서, 전극 탭들이 형상 변형에 의해 전극리드 내로 도입된 물리적 결합을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

연결 신뢰성이 향상된 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩 {Battery Cell of Improved Connection Reliability and Battery Pack Comprising the Same}

본 발명은 연결 신뢰성이 향상된 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 전지셀로서, 전극조립체를 구성하는 각각의 전극판에는 활물질이 도포되어 있지 않은 탭(전극 탭)이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들이 적층되어 있는 일측 단부에는 전극 탭들을 전기적으로 연결하기 위한 전극리드가 위치되어 있으며, 전극 탭들과 전극리드의 전기적 연결 부위에서, 전극리드가 형상 변형에 의해 전극 탭 내로 도입된 물리적 결합을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀과, 이러한 전지셀을 포함하는 전지팩에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 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 전지셀로서 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.

한편, 중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 인접한 전지셀들의 전극리드들을 전기적으로 연결시켜 제조된다.

도 1에는 대표적인 파우치형 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지셀(10)은 두 개의 전극리드(2, 3)가 서로 대향하여 전지 본체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 외장부재(14)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(14b)과 상단부 및 하단부(14a, 14c)를 부착시킴으로써 전지셀(10)이 만들어진다.

외장부재(14)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(14b)과 상단부 및 하단부(14a, 14c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다.

양측면(14b)은 상하 외장부재(14)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(14a)와 하단부(14c)에는 전극리드(2, 3)가 돌출되어 있으므로, 전극리드(2, 3)의 두께 및 외장부재(14) 소재와의 이질성을 고려하여, 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(2, 3)와의 사이에 필름상의 실링부재(16)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.

상기와 같은 전지셀을 다수 개 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 전지셀의 전극리드를 용접하여 상호 연결하거나 버스 바 등을 이용하여 전기적으로 연결하게 된다.

도 2에는 파우치형 전지의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 전극 활물질이 양면에 각각 도포되어 있는 양극 집전체와 음극 집전체 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체(1)는 다수의 전극판들로 구성되어 외장부재(14)에 수납되어 있고, 이러한 전극판들로부터 연장되어 있는 전극 탭들(17)은 하나의 전극리드(2)에 초음파 용접되어 전극 탭-리드 결합부(18)를 형성한다.

그러나, 전지셀의 용량 증가 등을 이유로 전지판들의 적층수를 늘릴 경우, 전극리드와 전극 탭의 두께 및 폭이 커져서 용접시 많은 에너지가 필요하게 될 뿐만 아니라, 취약한 전기적 결합 부위를 초래할 수 있다.

또한, 중대형 전지모듈은 전기자동차 등의 동력원으로 사용되는 바, 이러한 디바이스에 내장된 전지셀들은 외부충격, 진동 등에 쉽게 노출되므로 높은 안전성을 가지는 구조가 요구된다. 특히, 전지셀의 전극리드와 전극 탭을 전기적으로 연결하는 부위가 견고하게 결합되지 않은 경우, 계속적으로 인가되는 진동 등이나 충격에 의해 용접 부위가 분리되어 성능 및 안전성이 크게 저하될 수 있다.

따라서, 상기 초음파 용접 공정 부가하여 전극리드와 전극 탭 간의 높은 결합력을 이룰 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은, 전극리드와 전극 탭의 연결부위에 초음파 용접 공정 전, 가압에 의해 전극리드와 전극 탭의 전기적 연결 부위를 물리적으로 결합한 후, 초음파 용접을 수행함으로써, 외부의 충격 또는 진동에 의한 외력이 발생하더라도 전극리드와 전극 탭 간의 높은 결합력을 발휘하는 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩을 개발하기에 이르렀다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 전지셀로서, 전극조립체를 구성하는 각각의 전극판에는 활물질이 도포되어 있지 않은 탭(전극 탭)이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들이 적층되어 있는 일측 단부에는 전극 탭들을 전기적으로 연결하기 위한 전극리드가 위치되어 있으며, 전극 탭들과 전극리드의 전기적 연결 부위에서, 전극리드가 형상 변형에 의해 전극 탭 내로 도입된 물리적 결합을 이루는 구조로 이루어져 있다.

따라서, 초음파 용접 전에 물리적인 가압에 의해 전극리드와 전극 탭의 형상을 변형시켜 그 결합력을 극대화함으로써, 상호간의 높은 전기적 결합력을 이룰 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 전극리드는 전기적 연결 부위에서의 전극 탭의 전체 두께를 기준으로 30 내지 300% 깊이로 전극 탭 내부로 도입되는 구조일 수 있다. 물리적 결합을 위한 형상 변형 과정에서, 도 5에서와 같이, 전극리드가 전극 탭들 내로 도입되는 깊이에 대응하여 전극 탭들도 물리적 힘이 가해지는 방향으로 밀려 내려가게 되어 전극 탭의 변형도 초래되므로, 상기와 같이 전극리드의 도입 깊이는 전극 탭의 전체 두께보다 커질 수 있다. 더욱 바람직한 깊이는 50 내지 250%일 수 있다.

상기 형상 변형은 다양한 방식으로 달성될 수 있으며, 하나의 구체적인 예에서, 프레싱 핀이 장착되어 있는 제 1 다이와, 상기 프레싱 핀의 외면 형상에 대응하는 내면 형상의 핀 수용부가 각인되어 있는 제 2 다이 사이에 전극 탭들과 전극리드를 위치시킨 상태에서 상기 프레싱 핀을 가압하여 접합 포인트를 형성하고, 대면하는 부위가 평평한 한 쌍의 제 3 다이들 사이에서 상기 접합 포인트를 가압하여 압착한 후, 상기 접합 포인트를 초음파 용접하여 형성되는 구조일 수 있다.

이러한 초음파 융착에 의한 결합은, 대략 40 KHz 정도의 높은 초음파에 의해 발생된 고주파 진동을 인가하여, 전극 탭들과 전극리드 사이의 경계면에서 혼(Horn)과 엔빌(Anvil)의 작동에 따라 진동에너지가 마찰에 의해 열에너지로 변환되면서 급속히 용접이 이루어지는 원리로 진행된다.

상기와 같은 프레싱 핀은 독립적으로 상하 방향으로 작동할 수 있도록 제 1 다이의 중심축 상에 장착되어 있는 구조로 구성될 수 있으며, 바람직하게는, 상기 프레싱 핀의 외경은 1.0 mm 내지 2.0 mm 이고, 상기 핀 수용부의 내경은 1.5 mm 내지 2.5 mm 인 구조로 구성될 수 있다.

또한, 상기 전기적 연결부위의 평균 두께는 전극리드와 전극 탭들의 두께 총합을 기준으로 40 내지 90% 크기일 수 있다. 구체적으로, 상기 전기적 연결부위의 평균 두께가 40% 이하이면 소망하는 전극단자와 전극 탭의 파단을 방지하기가 어렵고, 상기 전기적 연결부위의 두께가 90% 초과이면 전극단자와 전극 탭의 용접성이 저하되므로 바람직하지 않다.

상기 구조에서, 상기 접합 포인트는 전극리드 1개 당 1 내지 10개의 개수로 형성되는 구조로 구성될 수 있다.

따라서, 접합 포인트를 용접 공정 환경 및 전극리드와 전극 탭의 조건에 따라 적당한 개수로 구성함으로써 전극단자와 전극 탭의 파단을 근본적으로 방지할 수 있다.

상기 전극조립체는 다양한 형태가 가능하며, 스택형, 또는 풀셀 또는 바이셀 등의 단위셀들을 분리필름으로 권취한 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 다수의 극판들을 분리막이 개제된 상태로 적층한 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조 등일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 전지셀은 다양한 종류가 가능하며, 바람직하게는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로서 둘 또는 그 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공하며, 이러한 디바이스의 바람직한 예로는, 상기 전지팩을 전원으로 사용하며 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치 등을 들 수 있다. 자동차의 전원으로 사용되는 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조될 수 있음은 물론이다.

상기와 같은 중대형 전지팩과 이를 전원으로 사용하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩은 전극리드와 전극 탭의 연결부위에 초음파 용접 공정 전, 특정한 물리적 형상 변형에 의해 전극리드와 전극 탭의 전기적 연결 부위를 결합함으로써, 외부의 충격 또는 진동에 의한 외력이 발생하더라도 전극리드와 전극 탭 간의 우수한 전기적 결합력을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도이다;
도 2는 종래의 대표적인 전지모듈의 전기적 연결 구조를 나타낸 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지셀의 전기적 연결 구조를 나타낸 단면도이다;
도 5는 본 발명에 사용되는 하나의 예시적인 다이와 펀치의 측면도 및 이를 이용하여 형성된 전극리드와 전극 탭의 형상 변형된 측면도이다;
도 6은 본 발명에 사용되는 하나의 예시적인 제 2 다이와 제 2 펀치의 측면도 및 도 5 의 전극리드와 전극 탭의 다져진 형상의 측면도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 초음파 용접이 수행된 전극리드와 전극 탭이 초음파 용접에 의해 융착된 형상의 측면도이다;
도 8은 종래의 전지팩 공정 전/후의 인장강도 실험 그래프이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 공정 전/후의 인장강도 실험 그래프이다.

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 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지셀의 전기적 연결 구조를 나타낸 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 전극 활물질이 양면에 각각 도포되어 있는 양극 집전체와 음극 집전체 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체(30)는 다수의 전극판으로 구성되어 있다. 전극판들에서 돌출된 전극 탭들(40)이 전극리드(60) 상에 하나 이상의 접합 포인트(400)가 형성되고, 접합 포인트(200)의 형성 과정에서 전극 탭들(40)이 전극리드(60)와 상호 부착되어 전극 탭들과 전극리드의 전기적 연결부(90)를 형성한다.

접합 포인트(200)는 제 1 다이(참조：도 5 및 6) 및 제 2 다이(참조：도 5 및 6)에 의해 전극리드(60)가 전극 탭들(40)로 도입되어 형성되는 도입부(참조 ：도 5 및 6)에 의해 만들어진다.

이러한 구조의 접합 포인트(200)의 형성 과정에 대하여는 이하에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

한편, 전극리드(60)는 외측으로 돌출되어 있으므로 전극리드(60, 12)의 두께 및 전지케이스(40) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(60)와의 사이에 필름상의 실링부재(80)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.

도 5에는 본 발명에 사용되는 하나의 예시적인 다이와 펀치의 측면도 및 이를 이용하여 형성된 전극리드와 전극 탭들의 형상 변형된 측면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명에 사용되는 하나의 예시적인 제 2 다이와 제 2 펀치의 측면도 및 이를 이용하여 형성된 전극리드와 전극 탭들의 다져진 형상의 측면도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 초음파 용접이 수행된 전극리드와 전극 탭들이 초음파 용접에 의해 융착된 형상의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지셀(10)의 판상형 전극리드(60)가 전극 탭들(40)과 전기적으로 연결되어 있으며, 전극리드(60)와 전극 탭들(40)의 전기적 연결부(90)에서, 전극리드(60)가 형상 변형에 의해 전극 탭들(40) 내로 도입된 물리적 결합을 이루고 있다.

이러한 형상 변화는, 외경이 약 6.0 mm의 제 1 다이(101)에 장착되며 외경(W)이 약 3.0 mm, 프레싱 핀(100)에 대응하는 약 2.0 mm의 내경(w)으로 내면 형상이 각인되어 있는 핀 수용부(210) 상에 전지셀(도시하지 않음)의 전극리드(60)와 전극 탭들(40)을 위치시킨 후, 프레싱 핀(100)를 사용하여 가압함으로써 형성되며, 그것에 의해 가압구조가 형성된다. 이러한 가압 구조에 의해, 전기적 연결부(90)의 일측에 형성된 접합 포인트(200)는 프레싱 핀(100)이 수용되도록 내경(W) 및 약 2.5 mm 깊이(H)를 갖는 도입부(102)가 형성된다.

구체적으로, 도입부(102)는 약 0.2 mm 두께의 알루미늄 소재의 전극리드(60)는 전체 약 0.4 mm 두께의 전극 탭들(40)의 두께를 기준으로 약 130% 깊이로 전극 탭들(40) 내부로 도입된다. 도입부(102)의 형성 과정에서 전극리드(60)가 전극 탭들(40) 내로 도입되는 깊이에 대응하여 전극 탭들(40)도 물리적 힘이 가해지는 방향으로 밀려 내려가게 되므로, 전극리드(60)가 전극 탭들(40)의 두께를 기준으로 약 130%까지 도입될 수 있다.

이로 인해, 전극리드(60)가 형상 변형에 의해 전극 탭들(40) 내로 도입되어 접합 포인트(200)가 형성됨으로써, 전극리드(60)와 전극 탭들(40)의 물리적 결합이 이루어진다.

이후, 상면이 수평인 제 3 다이들(110, 210)을 사용하여 전극리드(60)와 전극 탭들(40)의 가압된 부위를 2차 가압하여, 프레싱 핀(100)의 가압에 의해 형성된 도입부(102) 및 하향 돌출된 부위가 다져진 형상을 형성되고, 이러한 다져진 부위에는 3차적으로 혼(300)과 엔빌(500)의 작동으로 초음파 용접이 수행된다. 즉, 전극리드(60)의 하향 돌출된 부위 중 양측 단부는 단턱진 모양으로 형성되어 있으므로, 제 3 다이들(110, 210)에 의해 단턱진 부위가 전극 탭(40) 내측으로 밀려 들어가는 모양으로 형성된 후에 초음파 용접으로 융착된다.

따라서, 프레싱 핀(100)이 장착된 제 1 다이(101)와 제 2 다이(400)의 펀치 동작 및 제 3 다이들(110, 210)의 가압에 의해 전극리드(60)와 전극 탭들(40)이 가압된 후, 초음파 용접이 수행되므로 전기적 결합력을 극대화할 수 있다.

도 8에는 종래의 전지팩 공정 전/후의 인장강도 실험 그래프가 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 공정 전/후의 인장강도 실험 그래프가 도시되어 있다.

이들 도면을 도 1 내지 도 7과 함께 참조하면, 종래에 전극리드(2, 3)와 전극 탭들(17)에 일반적인 초음파 용접을 수행 한 후, 전지팩 공정을 수행 한 경우에 용접 부위의 평균 데이터 값에 따른 밀도가 약 0.035 g/㎤ 에서 0.023 g/㎤로 크게 하락하는 것을 볼 수 있다.

반면에, 본 발명에 따른 물리적 결합을 유도하는 펀칭 공정이 수행되고 초음파 공정이 수행 된 경우, 용접 부위의 평균 데이터 값에 따른 밀도가 약 0.054 g/㎤ 에서 0.049 g/㎤로 종래 방식에 비해 하락 폭이 거의 없음을 확인 할 수 있다. 이러한 하락 폭은 표준 편차에서도 동일하게 나타나는 것을 그래프를 통해 확인할 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (12)

1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 전지셀로서,
   전극조립체를 구성하는 각각의 전극판에는 활물질이 도포되어 있지 않은 탭(전극 탭)이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들이 적층되어 있는 일측 단부에는 전극 탭들을 전기적으로 연결하기 위한 전극리드가 위치되어 있으며,
   전극 탭들과 전극리드의 전기적 연결 부위에서, 전극리드가 형상 변형에 의해 전극 탭들 내로 도입된 물리적 결합을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극리드는 전기적 연결 부위에서의 전극 탭들의 두께를 기준으로 30 내지 300% 깊이로 전극 탭들 내부로 도입되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 형상 변형은,
   프레싱 핀이 장착되어 있는 제 1 다이와, 상기 프레싱 핀의 외면 형상에 대응하는 내면 형상의 핀 수용부가 각인되어 있는 제 2 다이 사이에 전극 탭들과 전극리드를 위치시킨 상태에서 상기 프레싱 핀을 가압하여 접합 포인트를 형성하고,
   대면하는 부위가 평평한 한 쌍의 제 3 다이들 사이에서 상기 접합 포인트를 가압하여 압착한 후,
   상기 접합 포인트를 초음파 용접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 프레싱 핀은 독립적으로 상하 방향으로 작동할 수 있도록 제 1 다이의 중심축 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 프레싱 핀의 외경은 1.0mm 내지 2.0mm 이고, 상기 핀 수용부의 내경은 1.5mm 내지 2.5mm 인 것을 특징으로 하는 전지셀.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전기적 연결부위의 평균 두께는 전극 탭들과 전극리드의 두께 총합을 기준으로 40 내지 90% 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 접합 포인트는 전극리드 1개 당 1 내지 10개의 개수로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
10. 제 1 항에 따른 전지셀을 단위전지로서 둘 또는 그 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
11. 제 10 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.

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