KR101666364B1 - 부직포 절연부재를 포함하는 각형 전지셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막 구조의 전극조립체, 상기 전극조립체를 내장하며, 상부가 개방된 중공형 구조를 가진 각형의 전지케이스, 상기 전지케이스의 개방 상단에 결합되며, 상기 전극조립체의 전극이 접속되어 외부로 돌출되어 있는 돌출단자가 형성되어 있는 캡 어셈블리, 상기 전극조립체와 캡 어셈블리 사이에 개재되어 있는 부직포 절연부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀을 제공한다.
Description
본 발명은 부직포 절연부재를 포함하는 각형 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.
그 중 각형 전지의 일반적인 구조가 도 1에 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 각형 전지(50)는 젤리-롤형 전극조립체(10)가 각형 금속 케이스(20)에 내장되어 있고 케이스(20)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 32)가 형성되어 있는 탑 캡(30)이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(10)의 음극은 음극 탭(12)을 통해 탑 캡(30) 상의 음극단자(32)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(32)는 탑 캡(30)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극조립체(10)의 또 다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(14)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(30)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.
또한, 전극 탭들(12, 14)을 제외하고 전극조립체(10)와 탑 캡(30)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(20)와 전극조립체(10) 사이에 절연부재(40)를 삽입한 뒤, 탑 캡(30)을 덮고, 탑 캡(30)과 케이스(20)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 그런 다음, 전해액 주입구(43)를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 전지가 제조된다.
절연부재는 탑 캡의 하부와 전극조립체의 상부 사이의 절연을 위해 삽입되며, 일반적으로 절연성의 고분자 수지로 형성되어 있다. 이러한 절연부재는 금형을 이용한 사출 성형 방식으로 제조된다.
한편, 휴대용 전자 기기에 대한 기술이 발달함에 따라서, 다양한 구조 및 디자인을 가지는 기기가 개발되고 있고, 이에 따라 상기 기기에 장착되는 전지셀 또한 효율적인 장착 구조 및 전지 용량의 최대화를 위한 다양한 구조를 요구받고 있다. 그러나, 크기 및 형태가 다른 전지셀을 제조하기 위해서는 설비의 교체, 공정의 변경 등으로 제조비용이 크게 상승하는 문제점이 발생한다.
하나의 예로, 도 1과 같은 각형 전지의 구조 변경에 의해 케이스의 개방 상단의 넓이가 변경되는 경우, 절연부재 또한 케이스의 개방 상단의 넓이에 대응하는 크기로 다시 제작되어야 한다. 이에 따라, 크기가 다른 절연부재를 제조하기 위해서는 금형을 다시 설계하여 제조하여야 하므로 제조비용이 상승하는 문제점이 발생한다.
또한, 케이스의 개방 상단의 넓이가 넓어질 경우, 얇은 플레이트 형태의 절연부재가 형상 유지를 위한 강성의 확보를 위하여 보다 두껍게 제조되어야 하는 바, 이는 제조 비용의 상승 및 전지 용량 감소의 원인이 되고 있다.
따라서, 상기의 문제점들을 해결하여 제조비용을 절감하면서 전지의 용량을 확보할 수 있는 구조의 각형 전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 제조비용을 절감하면서 전지의 용량을 확보할 수 있는 구조의 각형 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 각형 전지셀은,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막 구조의 전극조립체;
상기 전극조립체를 내장하며, 상부가 개방된 중공형 구조를 가진 각형의 전지케이스;
상기 전지케이스의 개방 상단에 결합되며, 상기 전극조립체의 전극이 접속되어 외부로 돌출되어 있는 돌출단자가 형성되어 있는 캡 어셈블리;
상기 전극조립체와 캡 어셈블리 사이에 개재되어 있는 부직포 절연부재;
를 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 전지셀에 내장되는 절연부재는 금형의 설계 및 제조에 의해 전체적인 제조비용이 상승한다는 단점이 있었으나, 본 발명에 따른 부직포 절연부재를 사용하는 전지셀은, 부직포를 절단, 노칭 등의 방법을 사용하여 필요한 사이즈의 절연부재를 용이하게 제조할 수 있을 뿐 만 아니라, 짧은 시간에 대량으로 절연부재를 제조할 수 있으므로 제조비용을 절감하고 제조시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서, 상기 각형 전지셀에 내장되는 전극조립체는 특별히 한정되지 않고 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 스택형, 스택/폴딩형, 또는 젤리-롤형 구조의 전극조립체일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 부직포 절연부재는 폭 대비 너비가 큰 시트형 구조로 형성될 수 있다. 상기 부직포 절연부재의 넓이는 전극조립체와 캡 어셈블리가 절연되도록 물리적으로 차단되는 넓이로서, 예를 들어 전지케이스의 개방 상단의 넓이의 70% 내지 95%의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 부직포 절연부재에는 관통구가 형성될 수 있으며, 상기 전극조립체과 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 전극 탭이 상기 관통구를 통해 관통되는 구조일 수 있다. 이러한 관통구는 전극 탭의 단면에 대응하는 구조로 형성될 수 있으며, 예를 들어 전극 탭은 플레이트 형상으로 형성되어 있고, 상기 관통구는 전극탭이 관통되는 슬릿 구조로 형성될 수 있다.
상기 부직포 절연부재는 다양한 소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리프로필렌(polypropylene: PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoro ethylene: PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(polyvinylidine fluoride: PVdF), 폴리염화비닐(polyvinylchloride: PVC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 형성될 수 있으나 이들에 한정되지는 않는다.
한편, 상기 부직포 절연부재에는 형상 유지력을 향상시키기 위한 보강부가 상면 및/또는 하면에 부가될 수 있다. 상기 보강부는. 예를 들어 고분자 수지가 용융된 상태에서 부가되어 고화된 구조로 형성되어 있을 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 보강부는 형상 유지력을 향상시키고, 조립 공정성을 향상시키는 효율적인 구조로서, 상기 부직포 절연부재의 외주를 따라 선형으로 부가될 수 있다.
또한, 상기 부직포 절연부재에는 전극조립체에서 돌출된 전극 탭이 관통되는 관통구가 형성되어 있고, 상기 보강부는 관통구의 일측으로부터 부직포 절연부재의 외주면 일측을 연결하는 선형 구조로 부가될 수 도 있다. 이 때, 상기 선형 구조로 부가된 보강부는 관통구를 중심으로 상하 또는 좌우 대칭되도록 복수 개가 부가되어 있는 구조일 수 있다.
상기 보강부의 소재는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 부직포 절연부재 상에 용이하게 형성시킬 수 있도록 부직포 절연부재와 동일한 소재로 이루어질 수 있다.
이러한 보강부의 소재에 관한 구체적인 예로, 상기 보강부의 소재는폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리프로필렌(polypropylene: PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoro ethylene: PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(polyvinylidine fluoride: PVdF), 폴리염화비닐(polyvinylchloride: PVC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 혼합물로 형성될 수 있다.
상기 전지케이스에 대한 캡 어셈블리의 결합은 다양한 방식으로 수행될 수 있으며, 예를 들어 용접에 의해 달성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
상기 캡 어셈블리는,
전극조립체가 내장된 전지케이스의 개방 상단에 결합되는 탑 캡;
상기 전극조립체의 전극에 접속되어 외부로 돌출되어 있는 돌출단자;
상기 돌출단자가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 상부 가스켓;
전극조립체의 전극 탭이 용접되어 있는 도전성 플레이트; 및
상기 도전성 플레이트가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 하부 가스켓;
을 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
상기 전지셀은 부피 대비 큰 용량을 가지는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 각형 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다. 상기 전지팩은 상기 각형 전지셀 하나가 내장되거나, 또는 복수 개가 전기적으로 연결된 상태에서 내장된 구조가 포함될 수 있으며, 추가로 다양한 안전부재가 부가될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 MP3플레이어, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 및 넷북으로 이루어진 군에서 선택되는 것일수 있으나 이들만으로 한정되지는 않는다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 부직포 절연부재를 포함하는 구조로서, 절연부재에 대한 제조 공정성을 향상시켜 전지셀의 제조비용을 절감하는 효과를 제공한다.
도 1은 종래의 각형 전지의 일반적인 구조에 관한 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀의 사시도이다;
도 3은 하나의 실시예에 따른 부직포 절연부재의 평면 모식도이다;
도 4는 또 다른 실시예에 따른 부직포 절연부재의 평면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀의 사시도이다;
도 3은 하나의 실시예에 따른 부직포 절연부재의 평면 모식도이다;
도 4는 또 다른 실시예에 따른 부직포 절연부재의 평면 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 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 각형 전지셀은 전극조립체(110), 전지케이스(120), 캡 어셈블리(130), 및 부직포 절연부재(140)를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
전극조립체(110)는 양극, 분리막, 음극이 적층된 상태에서 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체(110)로서, 평면상으로 대략 타원형으로 형성되어 있다.
전지케이스(120)는 상부가 개방된 중공형 구조의 각형 캔으로 형성되어 있으며, 대략 직육면체 형상으로 이루어져 있다. 캡 어셈블리(130)는 전지케이스(120)의 개방 상단에 결합되며, 전극조립체(110)의 전극 탭(112a, 112b)이 접속되어 외부로 돌출되어 있는 돌출단자(132)가 형성되어 있다.
부직포 절연부재(140)는 전극조립체(110)와 캡 어셈블리(130) 사이에 개재되어 이들을 절연시켜는 구조로서, 구체적으로 폭 대비 너비가 큰 시트형 구조로 이루어져 있으며, 전지케이스(120)의 개방 상단 내측의 형상에 대응하는 크기 및 형태로 형성되어 있다.
도 3 및 도 4에는 각각 본 발명의 실시예에 따른 부직포 절연부재의 평면 모식도가 도시되어 있다.
먼저 도 3을 도 2와 함께 참조하면, 부직포 절연부재(140)에는 전극조립체(110)와 캡 어셈블리(130)를 전기적으로 연결하는 전극 탭(112a, 112b)이 관통되는 슬릿 형상의 관통구(142a, 142b)가 형성되어 있다.
그리고, 부직포 절연부재(140) 상에는 형상 유지력을 향상시키기 위한 보강부(145)가 부가되어 있다. 보강부(145)는 부직포 절연부재(140)의 외주를 따라 선형으로 부가되어 있으며, 용융된 고분자 수지를 부직포 절연부재(140)에 부가한 후 고화시키는 방법으로 형성시킬 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 부직포 절연부재(140’)는 도 3의 구조에, 형상 유지력을 더욱 향상시킬 수 있도록 관통구(142a)의 일측으로부터 부직포 졀연부재(140’)의 외주면 일측을 연결하도록 선형 구조로 형성된 복수 개의 보강부(146a, 146b, 146c, 146d)가 추가되어 있는 구조로 이루어져 있다.
도 3 및 도 4에서는 보강부에 관한 예시적인 구조를 설명하였지만, 이들만으로 한정되지 않고 다양한 형태 및 패턴의 보강부가 형성될 수 있음은 물론이다.
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)
- 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막 구조의 전극조립체;
상기 전극조립체를 내장하며, 상부가 개방된 중공형 구조를 가진 각형의 전지케이스;
상기 전지케이스의 개방 상단에 결합되며, 상기 전극조립체의 전극이 접속되어 외부로 돌출되어 있는 돌출단자가 형성되어 있는 캡 어셈블리;
상기 전극조립체와 캡 어셈블리 사이에 개재되어 있는 부직포 절연부재;
를 포함하고,
상기 부직포 절연부재의 상면 및/또는 하면에는 부직포 절연부재의 형상 유지를 위한 보강부가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀. - 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형, 스택/폴딩형, 또는 젤리-롤형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 부직포 절연부재는 폭 대비 너비가 큰 시트형 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 부직포 절연부재의 넓이는 전지케이스의 개방 상단의 넓이의 70% 내지 95%인 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체에는 캡 어셈블리와 전기적으로 연결되는 전극 탭이 돌출되어 있으며, 상기 부직포 절연부재에는 상기 전극 탭이 관통되는 관통구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 5 항에 있어서, 상기 관통구는 슬릿 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 부직포 절연부재는 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리프로필렌(polypropylene: PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoro ethylene: PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(polyvinylidine fluoride: PVdF), 폴리염화비닐(polyvinylchloride: PVC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 형성된 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 보강부가 고분자 수지가 용융된 상태에서 부가되어 고화된 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 보강부는 부직포 절연부재의 외주를 따라 선형으로 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 부직포 절연부재에는 전극조립체에서 돌출된 전극 탭이 관통되는 관통구가 형성되어 있고, 상기 보강부는 관통구의 일측으로부터 부직포 절연부재의 외주면 일측을 연결하는 선형 구조로 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 11 항에 있어서, 상기 선형 구조로 부가된 보강부는 관통구를 중심으로 상하 또는 좌우 대칭되도록 복수 개가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 보강부는 부직포 절연부재와 동일한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 보강부의 소재는 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리프로필렌(polypropylene: PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoro ethylene: PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(polyvinylidine fluoride: PVdF), 폴리염화비닐(polyvinylchloride: PVC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스에 대한 캡 어셈블리의 결합은 용접에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 캡 어셈블리는,
전극조립체가 내장된 전지케이스의 개방 상단에 결합되는 탑 캡;
상기 전극조립체의 전극에 접속되어 외부로 돌출되어 있는 돌출단자;
상기 돌출단자가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 상부 가스켓;
전극조립체의 전극 탭이 용접되어 있는 도전성 플레이트; 및
상기 도전성 플레이트가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 하부 가스켓;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀. - 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
- 제 1 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 17 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 18 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 MP3플레이어, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 및 넷북으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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