KR101688580B1 - 곡면이 형성되어 있는 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스 내부에 밀봉되어 있는 전지셀로서, 상기 전지케이스는 축 방향의 수직 단면 상에서 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어 있어서 곡면을 형성하고 있고, 상기 곡면을 형성하는 전지케이스의 외면 중, 내측으로 만입되어 있는 면에는 상기 축 방향으로 연장되어 있는 선형의 노치가 형성되어 있는 전지셀에 관한 것이다.

Description

곡면이 형성되어 있는 전지셀 {Battery Cell with Curved Surface}
본 발명은 곡면이 형성되어 있는 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이러한 이차전지는, 소비자의 취향에 따라 전자 디바이스가 점점 소형화, 박형화 되어 가고 있는 추세이므로, 불필요한 공간 낭비를 최소화하기 위해서는 전지의 형상 역시 소형화, 박형화가 요구되고 있다. 따라서, 전지의 형상을 디바이스의 형상에 따라 다양하게 구현함과 동시에 디바이스의 내부 공간을 효율적으로 활용할 필요가 있다.
특히, 최근에는 디바이스의 디자인 자체가 수요자의 제품 선택에 있어서 매우 중요한 요소로 작용하고 있으므로 종래 생산성 등을 고려한 평면형 디자인에서 탈피하여 다양한 형태의 디자인이 설계되고 있다. 예를 들어, 휴대폰, 노트북 등과 같은 디바이스는 인체공학적인 설계를 위해 소정의 곡면을 갖는 디자인으로 설계될 수 있다.
이와 같이, 외면에 곡면이 형성되어 있는 형태의 디자인이 다수 개발되고 있어 실용화되고 있으나, 제품화되어 있는 전지는 거의 대부분이 평면 형태이므로 불필요한 공간 낭비가 초래되고, 이러한 공간으로 인하여 전지의 안정적인 장착이 어려워 외부 충격에 의해 유동됨으로써 전지가 손상될 수도 있는 문제가 발생한다.
또한, 디바이스의 소형화, 박형화를 위하여 디바이스의 내부 공간을 최대한 활용하여야 하므로, 곡면이 형성되어 있는 디바이스에서는 전지의 한정된 장착 공간에서 최대한의 용량을 가질 수 있도록 곡면이 포함된 외형의 전지가 요청되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀을 디바이스의 다양한 공간에 장착될 수 있도록 하는 구조로 설계하여, 디바이스의 내부 공간의 활용도를 극대화시키고, 일반적으로 장방형의 구조를 가지는 디바이스의 외형 구조에서 벗어나 여러가지 외형을 가지는 디바이스에서도 효율적으로 장착이 가능한 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스 내부에 밀봉되어 있는 전지셀로서,
상기 전지케이스는 축 방향의 수직 단면 상에서 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어 있어서 곡면을 형성하고 있고,
상기 곡면을 형성하는 전지케이스의 외면 중, 내측으로 만입되어 있는 면에는 상기 축 방향으로 연장되어 있는 선형의 노치가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은 곡면이 포함되도록 휘어진 구조로 형성되어 있고, 곡면의 만입된 면에 축 방향으로의 노치가 형성되어 있다. 따라서, 전지케이스에 곡면이 형성되도록 휘는 과정에서 노치를 중심으로 양측 단부를 동일한 방향으로 가압할 때, 곡면의 중심축이 사행이 되거나 주름이 발생하는 것을 방지하고, 보다 간편하게 곡면을 형성시킬 수 있는 효과를 제공한다.
뿐 만 아니라, 단락 등에 의해 전지셀의 온도가 상승하여 내부에 가스가 발생하고, 전지셀의 내압이 소정의 값 이상으로 높아지면 상기 노치가 파열되어 외부로 가스를 배출하는 벤팅 구조로도 사용되어 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
이러한 노치는, 예를 들어 전지셀의 내압 상승시 만입된 면이 볼록한 형상으로 역전되면서 노치가 자연스럽게 파열되어 내부 가스가 전지셀의 외부로 배출되는 구조일 수 있다.
상기 전지셀은 일측에 양극 단자 및 음극 단자가 형성되어 있거나, 또는 일측에 양극 단자가 형성되어 있고 그 대향측에 음극 단자가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 양극 단자 및 음극 단자는 전지셀의 축 방향에 형성될 수 있다. 즉, 상기 축 방향의 일면에 양극 단자 및 음극 단자가 형성되어 있거나, 또는 상기 축 방향의 일면과 그 대향면에 각각 양극 단자 및 음극 단자가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전지케이스는 그 소재 및 구조가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스 또는 금속 소재의 각형 캔일 수 있다.
상기 전지케이스가 각형 캔인 경우, 상기 각형 캔의 개방 상단에는 탑 캡이 결합되며, 상기 탑 캡은 상기 각형 캔의 상단의 형상에 대응하도록, 축 방향의 수직 단면 상에서 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어 있어서 곡면을 형성하고 있는 구조일 수 있다.
이러한 탑 캡은 각형 캔의 상단에 기계적으로 결합되거나 또는 용접에 의해 결합될 수 있다. 하나의 예에서, 상기 각형 캔과 탑 캡은 레이저 용접으로 결합될 수 있다.
상기 전지케이스에 형성된 노치는 상기 축 방향으로 연장되어 있는 선형의 구조라면 그 위치 및 형태가 특별히 한정되지 않는다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 노치는 전지케이스의 하단 모서리에서 상단 방향으로 수직 연장되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 그러나, 필요에 따라 상기 노치는 가스 배출을 소망하는 부위로 유도하기 위하여 상기 축 방향의 다른 위치에도 형성될 수 있다.
이러한 노치는 전지케이스의 곡면 형성을 용이하게 하고, 내압 상승에 의해 파열되어 일정한 부위로 가스를 배출하는 길이로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 노치는 전지케이스의 축 방향의 길이의 5 내지 40%의 길이로 형성될 수 있다. 상기 노치의 길이가 너무 짧으면 곡면 형성이 용이하지 않고, 전지셀의 내압이 상승하더라도 파열이 일어나지 않을 수 있다는 단점이 있고, 반대로 길이가 너무 길면 내압에 의해 파열되었을 때 일정한 부위로 가스 배출을 유도하기 어렵다는 단점이 있다.
또한, 상기 노치는 상기 전지케이스의 내측으로 만입되어 있는 면의 폭 방향의 중심에 형성될 수 있다. 이러한 구조에서, 상기 전지케이스의 곡면 형성시 상기 노치를 중심으로 전지케이스의 양측 단부들이 대칭을 이루도록 휘어진 형태로 곡면을 형성할 수 있다.
상기 노치의 깊이는 전지셀의 내압이 소정의 값 이상일 때 파열되는 깊이로 형성될 수 있으며, 예를 들어 상기 노치는 전지케이스의 두께를 기준으로 10 내지 70%의 깊이로 형성될 수 있다. 상기 노치의 깊이가 너무 얕으면 내압 상승에 의한 파열이 용이치 않고, 반대로 깊이가 너무 깊으면 노치가 적은 내압에도 파열될 뿐 만 아니라 전지케이스의 강성에도 문제가 생기므로 바람직하지 않다.
상기 전지케이스의 곡면에 대한 곡률 반경은 곡면의 전 구간에서 동일할 수 도 있고, 곡면의 각각의 지점에서 다를 수 도 있다.
예를 들어, 상기 휘어진 양측 단부의 곡률 반경(R1)이 중앙부의 곡률 반경(R2) 보다 크거나, 또는 이와 반대로 상기 휘어진 양측 단부의 곡률 반경(R1)이 중앙부의 곡률 반경(R2) 보다 작거나, 또는 곡면의 전 구간에서 동일한 곡률 반경을 가지는 구조일 수 있다.
상기 전지케이스의 곡면에 대한 곡률 반경(R)은 20 내지 1000 mm의 범위 내에서 형성될 수 있다.
상기 전극조립체는 스택형, 스택-폴딩형, 또는 권취형 등 다양한 전극조립체 등의 구조를 가지는 전극조립체일 수 있으나, 이들만으로 한정되지는 않는다.
이러한 전극조립체는 상기 전지케이스의 내부 공간에 수납될 수 있도록, 전지케이스의 내측면에 대응하는 곡면이 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전지셀은 리튬 이온 전지셀 또는 리튬 폴리머 전지셀일 수 있다. 리튬 이온 전지셀, 리튬 폴리머 전지셀의 공지의 구조 및 구성요소는 본 명세서에 합체된다.
본 발명은 또한 상기 전지셀 및 보호회로모듈(PCM)을 포함하며, 상기 보호회로모듈이 상기 전지셀의 전극단자에 연결되어 있는 전지팩을 제공한다.
상기 PCM은 전지셀의 상단의 형상에 대응하도록, 축 방향의 수직 단면 상에서 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어 있어서 곡면을 형성할 수 있다. 이러한 PCM은 전지셀의 상단에 탑재될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 스마트폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 시계, 텔레비젼, 또는 안경일 수 있으며, 이들이 휘어진 형상으로 제조되었을 때, 본 발명에 따른 전지팩이 효율적으로 장착될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 곡면이 포함되도록 휘어진 구조로 형성되어 있고, 곡면의 만입된 면에 축 방향으로 노치를 형성시킴으로써, 전지케이스의 곡면 형성을 용이하게 할 뿐 만 아니라, 전지셀의 내압이 소정의 값 이상으로 높아지면 상기 노치가 파열되어 외부로 가스를 배출하는 벤팅 구조로도 사용되어 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지케이스 및 탑 캡의 분리 구조에 관한 사시도이다;
도 3은 도 1의 전지셀에 수납되는 젤리-롤형 전극조립체의 사시도이다;
도 4는 도 1의 전지셀에 수납되는 스택형 전극조립체의 사시도이다;
도 5는 도 1의 전지케이스의 제조 공정에 관한 수직단면도이다;
도 6은 도 1의 전지케이스의 벤팅 과정에 관한 수직단면도이다.
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 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지케이스 및 탑 캡의 분리 구조에 관한 사시도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전지셀(100)은 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스(110) 내부에 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(110)는 금속 소재의 각형 캔으로 형성되어 있으며, 각형 캔의 개방 상단에는 탑 캡(120)이 결합되어 있다. 이러한 전지케이스(110)는 축(Y) 방향의 수직 단면 상에서 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어진 구조를 형성하고 있다. 따라서, 휘어진 부위에 의해 전지케이스(110)의 일면에는 오목한 곡면(112)이 형성되어 있고, 그 대향면에는 볼록한 곡면이 형성되어 있다.
탑 캡(120) 역시 휘어진 형상의 전지케이스(110) 개방 상단에 대응하여 축(Y) 방향의 수직 단면 상에서 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어진 형상으로 이루어져 있다. 이러한 탑 캡(120)은 전지케이스의 상단에 용접에 의해 결합되어 있다.
곡면을 형성하는 전지케이스의 외면 중, 내측으로 만입되어 있는 면(112)에는 축(Y) 방향으로 연장되어 있는 선형의 노치(115)가 형성되어 있다. 구체적으로, 노치(115)는 전지케이스(110)의 내측으로 만입되어 있는 면(112)의 폭(W) 방향의 중심에 형성되어 있으며, 전지케이스(110)의 하단 모서리에서 상단 방향으로 수직 연장되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 노치(115)를 중심으로 전지케이스(110)의 양측 단부들이 대칭을 이루도록 휘어진 형태로 곡면을 형성하고 있다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 전지셀(100)의 상단에 보호회로모듈(PCM)이 추가로 결합될 수 있으며, 이러한 보호회로모듈도 전지셀의 휘어진 형태에 대응하여 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어진 형상으로 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4에는, 도 1의 전지셀에 내장되어 있는 전극조립체의 다양한 구현예를 나타내는 도면이 도시되어 있다.
먼저, 도 3에는 도 1의 전지셀을 구성하는 젤리-롤형 전극조립체(130)가 도시되어 있으며, 도 3을 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체(130)는 양극 탭(132)과 음극 탭(134)이 전극조립체(130)의 일면에 형성되어 있고, 축 방향(Y)의 수직 단면상에서 양측 단부가 동일한 방향으로 휘어진 형태를 이루고 있고, 휘어진 부위의 내측에는 오목한 곡면이 형성되어 있다.
도 4에는 스택형 전극조립체가 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 하나의 양극(141), 하나의 분리막(145), 하나의 음극(143)이 적층된 구조를 도시하였으나, 전극조립체는(140)는, 복수 개의 양극, 복수 개의 분리막, 복수 개의 음극을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 스택형 전극조립체(140)는 양극(141), 분리막(145) 및 음극(143)을 포함하고, 양극(141)과 음극(143)의 사이에는 분리막(145)이 개재되어 있으며, 양극(141)에는 양극재가 도포되어 있지 않은 양극 탭(142)이 형성되어 있고, 음극(142)에는 음극재가 도포되어 있지 않은 음극 탭(144)이 형성되어 있다. 양극(141), 분리막(145) 및 음극(143)의 각각의 일단과 타단은 서로 교차하지 않는다. 이러한 전극조립체는 , 축 방향(Y)의 수직 단면상에서 양측 단부가 동일한 방향으로 휘어진 형태를 이루고 있고, 휘어진 부위의 내측에는 오목한 곡면이 형성되어 있다.
도 5에는 도 1의 전지케이스의 제조 공정에 관한 수직단면도들이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 노치(115)는 전지케이스(110)의 내측으로 만입되어 있는 면의 폭(W) 방향의 중심에 형성되어 있고, 전지케이스(110)의 곡면 형성시 노치(115)를 중심으로 전지케이스(110)의 양측 단부들을 가압하여 대칭을 이루도록 휘어진 형태로 곡면을 형성시킨다.
이 때, 노치(115)는 곡면을 형성함에 있어서, 곡면의 중심축이 사행이 되거나 곡면에 주름이 발생하는 것을 방지하는 효과를 제공한다.
도 6에는 도 1의 전지케이스의 벤팅 과정에 관한 수직단면도가 도시되어 있다.
도 6을 도 1과 함께 참조하면, 전지셀(100)의 단락 등에 의하여 온도가 상승하고, 내부의 전해액이 기화되면서 전지셀(100)이 팽창하게 되면, 전지케이스(110)의 만입된 면이 볼록한 형상으로 역전되면서 노치(115)가 자연스럽게 파열(115’)되어 내부 가스가 전지셀(110)의 외부로 배출되는 구조로 이루어져 있다.
즉, 노치는 전지케이스의 곡면 형성 과정에서 정확한 형상으로 전지케이스가 휘어지도록 유도할 뿐 만 아니라 가스 배출을 위한 벤트로도 사용되어 안전성을 향상시키는 구조로 형성되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스 내부에 밀봉되어 있는 전지셀로서,
    상기 전지케이스는 축 방향의 수직 단면 상에서 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어 있어서 곡면을 형성하고 있고,
    상기 곡면을 형성하는 전지케이스의 외면 중, 내측으로 만입되어 있는 면에는 상기 축 방향으로 연장되어 있는 선형의 노치가 형성되어 있으며,
    상기 전지케이스는 금속 소재의 각형 캔이고,
    상기 노치는 전지케이스의 내측으로 만입되어 있는 면의 폭 방향의 중심에 전지케이스의 두께를 기준으로 10% 내지 70%의 깊이로 형성되어 있고, 전지케이스의 축 방향의 길이의 5% 내지 40%의 길이로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 축 방향의 일면에 양극 단자 및 음극 단자가 형성되어 있거나, 또는 상기 축 방향의 일면과 그 대향면에 각각 양극 단자 및 음극 단자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 각형 캔의 개방 상단에는 탑 캡이 결합되며, 상기 탑 캡은 상기 각형 캔의 상단의 형상에 대응하도록, 축 방향의 수직 단면 상에서 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어 있어서 곡면을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 각형 캔과 탑 캡은 레이저 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 노치는 전지케이스의 하단 모서리에서 상단 방향으로 수직 연장되어 있는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 휘어진 양측 단부의 곡률 반경(R1)이 중앙부의 곡률 반경(R2) 보다 큰 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스의 곡면에 대한 곡률 반경(R)은 20 내지 1000 mm인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형, 스택-폴딩형, 또는 권취형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 상기 전지케이스의 내부 공간에 수납되도록, 전지케이스의 내측면에 대응하는 곡면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이온 전지셀 또는 리튬 폴리머 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 6 항 및 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 전지셀 및 보호회로모듈(PCM)을 포함하고, 상기 보호회로모듈은 전지셀의 전극단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 PCM은 전지셀의 상단의 형상에 대응하도록, 축 방향의 수직 단면 상에서 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어 있어서 곡면을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는, 스마트폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 시계, 텔레비전 또는 안경인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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