KR101619950B1 - 곡면 구조의 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일측면에 따른 전지팩은, 곡면(curved surface) 구조의 전지셀; 및 상기 곡면 구조에 부합하는 전지셀 수납 공간을 형성하여 스프링 백(spring back) 현상을 방지하고 외부 충격에 의한 곡률 변형을 방지하는 곡면 구조의 팩 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 것이다.

Description

곡면 구조의 전지팩 {CURVED SURFACE-STRUCTURED BATTERY PACK}
본 발명은, 반복적인 충방전이 가능한 이차전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 리튬 이차전지에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 '유비쿼터스 사회'로 발전되고 있다. 이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다.
최근에는 전자 디바이스의 디자인 자체가 수요자의 제품 선택에 있어서 매우 중요한 요소로 작용하고, 소비자의 취향에 따라 전자 디바이스가 점점 소형화, 박형화되어 가고 있는 추세이다. 이에 따라, 전자 디바이스의 내부 공간의 불필요한 낭비를 최소화하기 위해서, 리튬 이차전지 또한, 소형화, 박형화가 요구되고, 리튬 이차전지의 형상도 전자 디바이스의 형상에 따라 다양하게 구현될 필요가 있다. 최근, 플렉서블(flexible) 전지를 포함하여 휘어진 형상의 전지에 대한 수요가 높아지고 있다.
이와 관련하여, 공개특허공보 제2012-0082808호에는, 휘어진 형상의 전지가 개시되어 있다. 그러나, 공개특허공보 제2012-0082080호는, 외부 전자 디바이스의 내부에 장착되는 곡면 구조의 전지를 개시하고 있을 뿐, 휘어진 형상의 전지가 가진 문제점에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다.
본 출원의 발명자들은, 휘어진 형상의 전지는, 만곡 이전의 평면 형상으로 돌아가려는 경시성 스프링 백(spring back) 현상이 발생하고, 더욱이 외부 충격에 약한 파우치형 전지는, 외부 충격으로 인한 곡률 변형이 발생하는 문제점이 있음을 확인하였다. 이러한 문제점들은, 치수 안정성을 저하시킴으로써, 전자 디바이스 내부에의 장착이 용이하지 않은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결한 치수 안정성을 향상시킨 휘어진 형상의 전지팩을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전지팩은,
곡면(curved surface) 구조의 전지셀; 및 상기 곡면 구조에 부합하는 전지셀 수납 공간을 형성하여 스프링 백(spring back) 현상을 방지하고 외부 충격에 의한 곡률 변형을 방지하는 곡면 구조의 팩 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전지셀은,
전해질;
양극, 음극 및 분리막의 적층면이 곡면(curved surface)을 포함하는 전극 적층체;
상기 전극 적층체의 전극 탭들과 연결되는 전극 리드들; 및
상기 곡면에 부합하는 곡면이 형성되어 있는 수납부에 상기 전해질과 전극 적층체를 내장하고, 상기 전극 리드들이 외부로 노출된 상태에서 개구부가 밀봉되어 있는 전지 케이스;를 포함하는 파우치형 전지셀일 수 있다.
상기 전지 케이스는, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있을 수 있다. 구체적으로, 상기 라미네이트 시트는 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있다. 상기 라미네이트 시트의 전지 케이스는, 함몰 구조의 수납부와 상기 수납부로부터 연장되어 있는 외곽부로 이루어진 하부 케이스와 상기 하부 케이스와 열융착에 의해 결합하는 상부 케이스로 이루어져 있을 수 있다. 경우에 따라서, 상기 상부 케이스는, 함몰 구조의 수납부와 상기 수납부로부터 연장되어 있는 외곽부로 이루어져 있을 수 있다. 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스는, 서로 분리되어 있을 수도 있고, 상부 케이스와 하부 케이스의 일부가 서로 연결되어 있을 수 있다.
상기 라미네이트 시트의 전지 케이스는, 금속 캔 구조의 전지 케이스에 비해서 형상 자유도가 우수한 반면에, 외부 충격에 대한 기계적 강성이 취약하고, 스프링 백 현상이 쉽게 발생할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 측면에 따른 전지팩은, 전지셀의 곡면 구조에 부합하는 전지셀 수납공간을 형성하여 스프링 백 현상을 방지하고, 외부 충격에 의한 곡률 변형을 방지하기 위해서, 기계적 강성을 가진 곡면 구조의 팩 하우징을 채택하였다. 상기 팩 하우징은, 전지 케이스의 외주면을 감싸는 보호부재로서, 외부 충격에 대한 기계적 강성을 부여할 수 있다. 상기 팩 하우징은, 금속 또는 고강도 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
상기 전지 케이스의 수납부는, 완성된 파우치형 전지셀의 수납부에 대응하고, 개구부를 밀봉한 영역은, 완성된 파우치형 전지셀에서 상기 수납부의 외곽에 형성되어 있을 수 있다. 상기 밀봉 영역을, 이하에서는, 외주 밀봉부로 정의할 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 상기 전지 케이스에서 하나 이상의 외주 밀봉부는 수납부의 외측벽을 향해 절곡되어 있을 수 있다. 구체적으로, 전극 리드가 외부로 노출되어 있는 외주 밀봉부를 제외한, 하나 이상의 외주 밀봉부가 수납부의 외측벽을 향해 절곡되어 있을 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 전극 리드는 비 절곡 외주 밀봉부를 향해 절곡되어 있을 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 상기 팩 하우징은,
전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트;
전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트; 및
전지셀의 측벽들과 대면하면서 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상기 상부 플레이트 또는 하부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들로서, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 플레이트들을 포함하고 있는 측면 플레이트들;을 포함할 수 있다.
상기에서, 상부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들은, 하부 플레이트로 연장되어 있을 수 있고, 상기 하부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들은, 상부 플레이트로 연장되어 있을 수 있다. 이 경우, 상기 측면 플레이트들은 비곡면 구조를 가진 플레이트를 하나 이상 포함하고 있고, 비곡면 구조를 가진 적어도 하나의 플레이트에는 곡면 구조의 전지셀의 삽입을 위한 개구가 형성되어 있을 수 있다. 이 경우, 상기 곡면 구조의 전지셀은 상부 플레이트와 하부 플레이트를 결합한 후, 상기 개구를 통해 팩 하우징 내로 슬라이딩 결합될 수 있다.
또한, 상부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들은, 하부 플레이트에 연결 또는 결합될 수 있고, 상기 하부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들은, 상부 플레이트에 연결 또는 결합될 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 하부 플레이트 내에 상기 곡면 구조의 전지셀을 장착한 후, 상부 플레이트를 하부 플레이트에 결합시킴으로써, 곡면 구조의 전지셀이 팩 하우징 내부에 수납될 수 있다.
상기에서, 용어 "연결 또는 결합"은, 상부 플레이트 또는 하부 플레이트와 분리되어 있는 측면 플레이트가 체결부재를 사용하여 결합됨을 의미하고, 용어 "연장"은, 측면 플레이트가 체결부재의 사용없이, 예를 들어, 사출 성형으로 상부 플레이트 또는 하부 플레이트와 일체로 형성되어 있는 것을 의미하는 것으로 이해할 수 있다.
상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트의 결합은, 특별히 제한되는 것은 아니고, 당업계에 공지되어 있는 볼트 체결구조, 결합홈과 결합돌기의 체결구조 등에 의해서 이루어질 수 있다. 이하에서, 각각의 플레이트들의 결합구조 또한, 특별히 제한되는 것은 아니고, 당업계에 공지되어 있는 볼트 체결구조, 결합홈과 결합돌기의 체결구조 등에 의해서 이루어질 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 상기 팩 하우징은,
전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트;
전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트; 및
곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상부 플레이트 또는 하부 플레이트에 연결 또는 결합되고 전지셀의 측벽들과 대면하고 있는 측면 플레이트들로서, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 플레이트들을 포함하고 있는 측면 플레이트들; 을 포함할 수 있다. 이 때, 측면 플레이트들은, 상부 플레이트 또는 하부 플레이트와 독립적으로 존재하고, 체결 부재를 사용하여 상부 플레이트와 하부 플레이트에 결합할 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 상기 팩 하우징은,
전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트와 상기 상부 플레이트로부터 연장되어 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 하기 하부 측면 플레이트들과 결합하고, 전지셀의 측벽들과 대면하고 있으며, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 측면 플레이트들을 포함하고 있는 상부 측면 플레이트들을 포함하는 제 1 하우징; 및
전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트와 상기 하부 플레이트로부터 연장되어 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상기 상부 측면 플레이트들과 결합하고, 전지셀의 측벽들과 대면하고 있으며, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 측면 플레이트들을 포함하고 있는 하부 측면 플레이트들을 포함하는 제 2 하우징; 으로 구성되어 있을 수 있다. 이 때, 상기 팩 하우징은, 상기 제 1 하우징의 상부 측면 플레이트와 상기 제 2 하우징의 하부 측면 플레이트의 결합으로 완성할 수 있다.
상기 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트는 윈도우 프레임(window frame) 구조물일수 있다. 상부 플레이트와 하부 플레이트가 윈도우 프레임 구조물로 형성되어 있는 경우에는, 경량의 전지팩을 제작할 수 있으므로, 질량당 에너지 밀도가 향상되는 장점이 있다.
상기 전지팩은 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변과 평행한 하나 이상의 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트를 포함하는 구조일 수 있고, 또한, 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변에 인접한 변과 평행한 하나 이상의 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트를 포함하는 구조일 수 있다. 이때, 상기 전지셀의 변의 위치는 전지셀을 위에서 봤을 때를 기준으로 결정된다.
상기 전지팩은 반드시 한 종류의 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트만을 포함할 필요는 없고, 서로 다른 방향의 상부 플레이트들 및 하부 플레이트들을 모두 포함할 수 있으며, 이러한 상부 플레이트들 및 하부 플레이트들은 서로 교차하는 구조일 수 있다. 이러한 구조를 갖는 경우 지지력이 향상되어 전지셀의 스프링 백 현상을 더욱 효과적으로 억제 할 수 있으며, 필요한 지지력에 따라 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트의 개수를 결정할 수 있다.
비제한적인 예에서, 상기 전극 적층체는, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 분리막을 포함하고, 양극, 음극 및 분리막은, 양극과 음극의 사이에 분리막이 개재되도록 적층되어 있으며, 상기 양극, 음극 및 분리막은, 각각의 일단과 타단이 서로 교차하지 않는 스택(stack)형 전극 적층체일 수 있다.
비제한적인 예에서, 상기 전극 적층체는, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 하나 이상의 제 1 분리막 및 하나 이상의 제 2 분리막을 포함하고, 양극, 음극, 제 1 분리막 및 제 2 분리막은, 양극과 음극의 사이에 제 1 분리막 또는 제 2 분리막이 개재되도록 적층되어 있으며, 상기 양극, 음극 및 제 1 분리막은 각각의 일단과 타단이 서로 교차하지 않고, 상기 제 2 분리막은 전극 탭이 형성되지 않은 전극의 측면을 감싸고 일단과 타단이 서로 교차하는 스택 ＆ 폴딩형 전극 적층체일 수 있다.
비제한적인 예에서, 상기 전극 적층체는, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 하나 이상의 분리막을 포함하고, 양극, 음극, 및 분리막은, 양극과 음극의 사이에 분리막이 개재되도록 적층되어 있으며, 상기 양극, 음극 및 분리막은 각각의 일단과 타단이 서로 교차하는 권취형 또는 젤리-롤형 전극 적층체일 수 있다.
한편, 상기 전극 적층체는, 일면 또는 양면에 분리막이 접합(laminate)되어 있는 개량된 전극을 하나 이상 포함하고 있을 수 있다. 상기 개량된 전극은, 예를 들어, 분리막이 양극 또는 음극의 일면에, 접합되어 있는 구조로 구현될 수 있다. 또한, 분리막이 양극의 양면 또는 음극의 양면에, 접합되어 있는 구조로 구현될 수 있다. 또한, 양극과 음극의 사이에 분리막이 개재된 상태에서 양극, 분리막 및 음극이 서로 접합되어 있는 구조로 구현될 수 있다. 본 명세서에서, 양극과 음극의 사이에 분리막이 개재된 상태에서 양극, 분리막 및 음극이 서로 접합되어 있는 구현예를 전극군으로 정의할 수 있다.
상기 전극군은 최외측 전극들의 극성이 서로 동일하거나 상이할 수 있고, 최외측 전극들의 극성이 동일한 경우, S형 전극군이라 칭할 수 있고, 최외측 전극군들의 극성이 서로 상이한 경우, D형 전극군이라 칭할 수 있다. 상기 최외측 전극들 중 하나 이상은 분리막들 사이에 개재된 상태로 분리막들과 접합되어 있을 수 있다.
또한, 상기 개량된 전극은, 양극 및 음극 중 어느 하나와 분리막을 포함하고, 양극 및 음극 중 어느 하나와 분리막이 서로 접합되어 있는 구조로 구현될 수 있다. 이를 전극소자로 정의할 수 있다. 상기 전극소자는 양극 및 음극 중 어느 하나가 분리막들 사이에 개재되고, 양극 및 음극 중 어느 하나가 분리막과 접합되어 있을 수 있다.
상기 전극, 개량된 전극, 분리막, 전극군, 전극소자 등의 조합으로서, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극 적층체는, 본 발명의 범위에 포함된다.
상기 양극 또는 음극의 제조방법은,
바인더를 용매에 분산 또는 용해시켜 바인더 용액을 제조하는 과정;
상기 바인더 용액과 전극 활물질 및 도전재를 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 과정;
상기 전극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 과정;
전극을 건조하는 과정; 및
전극을 일정한 두께로 압축하는 과정을 포함할 수 있다.
경우에 따라서는, 압연한 전극을 건조하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 바인더 용액 제조 과정은, 바인더를 용매에 분산 또는 용해시켜 바인더 용액을 제조하는 과정이다. 상기 바인더는, 당해 업계에서 공지된 모든 바인더들일 수 있고, 구체적으로는, 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈를 포함하는 셀룰로오스계 바인더, 폴리 알코올계 바인더, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더, 폴리 이미드계 바인더, 폴리 에스테르계 바인더, 홍합 접착제, 실란계 바인더로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 2 종 이상의 바인더들의 혼합물이거나 공중합체일 수 있다.
상기 용매는, 바인더의 종류에 따라 선택적으로 사용될 수 있고, 예를 들어, 이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등의 유기 용매와 물 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체적인 실시예로서, PVdF를 NMP(N-methyl pyrrolidone)에 분산/용해시켜 양극용 바인더 용액을 제조할 수도 있고, SBR(Styrene-Butadiene Rubber)/CMC(Carboxy Methyl Cellulose)를 물에 분산/용해시켜 음극용 바인더 용액을 제조할 수도 있다.
전극 활물질 및 도전재를 상기 바인더 용액에 혼합/분산시켜서 전극 슬러리를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극 슬러리는, 저장 탱크로 이송하여 코팅 과정 이전까지 보관할 수 있다. 상기 저장 탱크 내에서는, 전극 슬러리가 굳는 것을 방지하기 위하여, 계속하여 전극 슬러리를 교반할 수 있다.
상기 전극 활물질은, 양극 활물질 또는 음극 활물질일 수 있다.
구체적으로, 상기 양극 활물질은, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 더 포함할 수 있다.
상기 도전재는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 전극 슬러리에는, 필요에 따라 충진제 등이 선택적으로 추가될 수 있다. 상기 충진제는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질 등이 사용될 수 있다.
상기 전극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 과정은, 전극 슬러리를 코터(coater) 헤드를 통과시켜 정해진 패턴 및 일정한 두께로 집전체 상에 코팅하는 과정이다. 상기 전극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 방법은, 전극 슬리러를 집전체 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 방법, 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법 등을 들 수 있다. 또한, 별도의 기재(substrate) 위에 성형한 후 프레싱 또는 라미네이션 방법에 의해 전극 슬러리를 집전체와 접합시킬 수도 있다.
상기 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체는, 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 구체적으로, 양극 집전체는, 알루미늄을 포함하는 금속 집전체일 수 있고, 음극 집전체는, 구리를 포함하는 금속 집전체일 수 있다. 상기 전극 집전체는 금속 호일일 수 있고, 알루미늄(Al) 호일 또는 구리(Cu) 호일일 수 있다.
상기 건조 공정은, 금속 집전체에 코팅된 슬러리를 건조하기 위하여 슬러리 내의 용매 및 수분을 제거하는 과정으로, 구체적인 실시예에서, 50 내지 200℃의 진공 오븐에서 1 일 이내로 건조한다. 상기 건조 과정 이후에는, 냉각 과정을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각 과정은 실온까지 서냉(slow cooling)하는 것일 수 있다.
코팅 과정이 끝난 전극의 용량 밀도를 높이고 집전체와 활물질들 간의 접착성을 증가시키기 위해서, 고온 가열된 2개의 롤 사이로 전극을 통과시켜 원하는 두께로 압축할 수 있다. 이 과정을 압연과정이라 한다.
상기 전극을 고온 가열된 2개의 롤 사이로 통과시키기 전에, 상기 전극은 예열될 수 있다. 상기 예열 과정은, 전극의 압축 효과를 높이기 위해서 롤로 투입되기 전에 전극을 예열하는 과정이다.
상기와 같이 압연 과정이 완료된 전극은, 바인더의 융점 이상의 온도를 만족하는 범위로서 50 내지 200℃의 진공 오븐에서 1일 이내로 건조할 수 있다. 압연된 전극은 일정한 길이로 절단된 후 건조될 수도 있다. 상기 건조 과정 이후에는, 냉각 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 분리막은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다.
이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포; 크라프트지 등이 사용된다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(CelgardR 2400, 2300(Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다.
상기 전해질은, 리튬 염을 함유하고 있는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. 상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드로퓨란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라히드로퓨란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(fluoro-ethylene carbonate), PRS(propene sultone), FPC(fluoro-propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.
상기 전지셀은, 리튬 이온 폴리머 전지 또는 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지일 수 있다. 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지의 공지의 구조 및 구성요소는 본 명세서에 합체된다.
본 발명의 일 측면은 또한, 상기한 전지팩을 및 상기 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공할 수 있다. 상기 디바이스는 노트북, 휴대폰, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템, 및 캠코더로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 치수 안정성이 향상된 휘어진 형상의 전지팩을 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 휘어진 형상의 전지셀의 모식적인 사시도이다;
도 2는, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 팩 하우징의 모식적인 사시도이다;
도 3은, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 전지팩의 모식적인 사시도이다;
도 4는, 도 3의 전지팩의 측면도이다;
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 팩 하우징의 모식적인 사시도이다.
이하, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 휘어진 형상의 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 팩 하우징의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 전지셀(100)은, 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지 케이스의 수납부(150)에 전해질과 전극 적층체를 수납한 상태에서 개구부를 밀봉함으로써 완성된다. 4개의 외주 밀봉부들(131, 132, 133, 134) 중에서, 전극 리드들(111, 112)가 노출되지 않은 외주 밀봉부(134)를 제외한, 3개의 외주 밀봉부들(131, 132, 133)은 측면(140)을 향해서 절곡되어 있다. 전극 리드들(111, 112)는 비 절곡 외주 밀봉부(134)를 향해 절곡되어 있다.
팩 하우징(200)은, 윈도우 프레임 구조물을 형성하는 상부 플레이트들(211, 212, 213), 윈도우 프레임 구조물을 형성하는 하부 플레이트(221), 상부 플레이트들(211, 212, 213)과 하부 플레이트(221)로부터 연장되거나, 상부 플레이트(211, 212, 213) 또는 하부 플레이트(221)에 연결되어 있는 4개의 측면 플레이트들(231, 232, 233, 234)로 이루어져 있다. 측면 플레이트들(231, 232)는 전지셀(100)의 수납부(150)의 곡면 구조에 부합하는 곡면을 가진다. 측면 플레이트들(233, 234)는 평면 플레이트이다. 측면 플레이트(234)에는 전지셀의 삽입을 위한 개구가 형성될 수 있다.
도 3에는 도 1의 전지셀이 도 2의 팩 하우징 내에 장착된 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는, 도 3의 전지팩의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 휘어진 형상의 전지셀(100)에는, 점선 화살표 방향을 따라서, 휘어지기 이전의 평면상 전지셀로 복귀하려는 스프링 백 현상이 발생한다. 그러나, 팩 하우징(200)은 전지셀(100)의 곡면 구조에 부합하는 곡면 측면 플레이트들(231, 232)과 평면 플레이트들(233, 234)로 이루어진 곡면 구조의 전지셀 수납 공간이 형성되어 있으므로, 내부에 장착되어진 전지셀(100)의 스프링 백 현상을 억제할 수 있다. 도 3 및 도 4에서, 실선 화살표는 점선 화살표의 길이만큼의 크기로 발생하는 스프링 백 현상이 팩 하우징에 의해서 억제되는 효과를 비교 설명하기 위해서 과장되게 표현한 것으로서, 실제로는, 팩 하우징의 사용으로, 스프링 백 현상이 발생하지 않는 것으로 이해해야할 것이다.
도 5에는 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 서로 다른 방향의 상부 플레이트들 및 하부 플레이트들을 모두 포함하는 팩 하우징이 도시되어 있다.
도 5를 참고하면, 팩 하우징(200)은 6개의 상부 플레이트들(211, 212, 213, 214, 215, 216)과 5개의 하부 플레이트들(221, 222, 223, 224, 225)을 포함하고 있다. 구체적으로, 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변과 평행한 상부 플레이트들(211, 212, 213, 214, 215)과 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변에 인접한 변과 평행한 상부 플레이트(216)가 교차하고 있다.
하부 플레이트들(221, 222, 223, 224, 225)도 이와 유사하게, 전극리드가 돌출되어 있는 변과 평행한 하부 플레이트들(221, 222, 223, 224)과 전극리드가 돌출되어 있는 변에 인접한 변과 평행한 하부 플레이트(225)가 서로 교차하고 있다.
이처럼 다른 방향의 상부 플레이트들(211, 212, 213, 214, 215, 216)과 하부 플레이트들(221, 222, 223, 224, 225)이 교차하는 구조를 갖는 경우 지지력이 향상되어 전지셀의 스프링 백 현상을 더욱 효과적으로 억제 할 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 (20)

  1. 곡면(curved surface) 구조의 전지셀; 및
    상기 곡면 구조에 부합하는 전지셀 수납 공간을 형성하여 스프링 백(spring back) 현상을 방지하고 외부 충격에 의한 곡률 변형을 방지하는 곡면 구조의 팩 하우징;을 포함하고 있고,
    상기 팩 하우징은,
    전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트;
    전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트; 및
    전지셀의 측벽들과 대면하면서 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상기 상부 플레이트 또는 하부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들로서, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 플레이트들을 포함하고 있는 측면 플레이트들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은,
    전해질;
    양극, 음극 및 분리막의 적층면이 곡면(curved surface)을 포함하는 전극 적층체;
    상기 전극 적층체의 전극 탭들과 연결되는 전극 리드들; 및
    상기 곡면에 부합하는 곡면이 형성되어 있는 수납부에 상기 전해질과 전극 적층체를 내장하고, 상기 전극 리드들이 외부로 노출된 상태에서 개구부가 밀봉되어 있는 전지 케이스;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지 케이스에서 하나 이상의 외주 밀봉부가 수납부의 외측벽을 향해 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 2 항에 있어서, 전극 리드가 외부로 노출되어 있는 외주 밀봉부를 제외한, 하나 이상의 외주 밀봉부가 수납부의 외측벽을 향해 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전극 리드는 비 절곡 외주 밀봉부를 향해 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 전지 케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트는 윈도우 프레임(window frame) 구조물인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전지팩은 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변과 평행한 하나 이상의 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 전지팩은 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변에 인접한 변과 평행한 하나 이상의 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 플레이트 또는 하부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들은, 각각 하부 플레이트 또는 상부 플레이트로 연장되어 있는 것으로 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 측면 플레이트들은 비곡면 구조를 가진 플레이트를 하나 이상 포함하고 있고, 비곡면 구조를 가진 적어도 하나의 플레이트에는 곡면 구조의 전지셀의 삽입을 위한 개구가 형성되어 있으며, 전지셀은 상기 개구를 통해 팩 하우징 내로 슬라이딩 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 곡면(curved surface) 구조의 전지셀; 및
    상기 곡면 구조에 부합하는 전지셀 수납 공간을 형성하여 스프링 백(spring back) 현상을 방지하고 외부 충격에 의한 곡률 변형을 방지하는 곡면 구조의 팩 하우징;을 포함하고 있고,
    상기 팩 하우징은,
    전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트;
    전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트; 및
    곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상부 플레이트 또는 하부 플레이트에 연결 또는 결합되고 전지셀의 측벽들과 대면하고 있는 측면 플레이트들로서, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 플레이트들을 포함하고 있는 측면 플레이트들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트는 윈도우 프레임 구조물인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 곡면(curved surface) 구조의 전지셀; 및
    상기 곡면 구조에 부합하는 전지셀 수납 공간을 형성하여 스프링 백(spring back) 현상을 방지하고 외부 충격에 의한 곡률 변형을 방지하는 곡면 구조의 팩 하우징;을 포함하고 있고,
    상기 팩 하우징은,
    전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트와 상기 상부 플레이트로부터 연장되어 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 하기 하부 측면 플레이트들과 결합하고, 전지셀의 측벽들과 대면하고 있으며, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 측면 플레이트들을 포함하고 있는 상부 측면 플레이트들을 포함하는 제 1 하우징; 및
    전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트와 상기 하부 플레이트로부터 연장되어 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상기 상부 측면 플레이트들과 결합하고, 전지셀의 측벽들과 대면하고 있으며, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 측면 플레이트들을 포함하고 있는 하부 측면 플레이트들을 포함하는 제 2 하우징;
    으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트는 윈도우 프레임 구조물인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 하우징은, 금속 또는 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 1 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 노트북, 휴대폰, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템, 및 캠코더로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
KR1020140106001A 2013-09-30 2014-08-14 곡면 구조의 전지팩 KR101619950B1 (ko)

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