KR101709563B1 - 열가소성 수지를 적용한 교체형 전지팩 및 전지팩 제조 방법 - Google Patents

열가소성 수지를 적용한 교체형 전지팩 및 전지팩 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열가소성 수지를 적용한 교체형 전지팩 및 전지팩 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충방전이 가능한 전지셀이 팩 프레임 내에 장착되어 있는 전지팩으로서, 상기 전지셀의 상단에는 전극 단자들에 전기적으로 접속된 상태로 보호회로기판(PCB)가 탑재되어 있고; 상기 PCB가 탑재된 전지셀은 외주면이 감싸인 상태로 팩 프레임 내에 장착되어 있으며; 상기 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간에는 상온에서 고상인 절연성 수지가 개재되어 있고; 상기 절연성 수지는 용융 상태에서 일부가 이격 공간 중의 일측 부위에서 주입된 후 절연성 수지의 나머지가 대향측 부위에서 주입되는 것을 특징으로 하는 전지팩 및 전지팩 제조 방법을 제공한다.

Description

열가소성 수지를 적용한 교체형 전지팩 및 전지팩 제조 방법 {Replaceable Pack Applying Hot-Melt Resin And Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 열가소성 수지를 적용한 교체형 전지팩 및 전지팩 제조방법에 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 행해지고 있으며 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 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.
전지팩이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
이를 위해, 종래의 전지팩에서는 내부에 수지 등을 주입하여 전지셀의 유동을 방지하고, 다른 부품들을 정위치에서 고정하는 구조를 사용하기도 한다.
구체적인 예로, 전지셀을 팩 프레임에 결합시킬 때 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간에 열가소성 수지를 주입하여 전지셀을 감싸도록 하는 구조를 사용하였다. 즉, 열가소성 수지를 전지팩의 상하부에서 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간에 동시에 주입하는 구조를 사용하였다. 이러한 열가소성 수지는 구체적으로 물이나 용제를 전혀 사용하지 않고, 고온에서 액상으로 사출 주입된 후 냉각고화 되면서 강력한 접착력 및 경도를 발휘하는 핫-멜트 수지(hot-melt resin)일 수 있다. 상기 핫-멜트 수지는 매우 강력한 내수성을 나타내는 바, 수분 침투가 치명적인 전지셀에 있어서, 효과적인 방수성을 제공하므로, 전지셀의 안전성 측면에서도 더욱 바람직하다.
이와 같이, 핫-멜트 수지 적용 또는 인서트 사출성형 방법은 다수의 장점들이 있지만, 하기와 같은 단점들도 있다.
즉, 이러한 핫-멜트 수지 적용 또는 인서트 사출성형 방법에 의한 이차전지의 제조는 별도의 고정부재 또는 상하부 케이스를 사용하지 않으므로 전지의 크기(특히, 두께)를 작게 만들 수 있지만, PCM(Protect Circuit Module)을 전지 본체와 함께 금형 내에서 성형하는 것이므로, 부품들의 전기적인 접속을 위한 다수의 공정이 필요하며, 더욱이 금형의 소정의 위치에 부품들을 정위치시켜야 하는 기술적인 어려움과, 고온용융 수지의 접촉으로 인한 전지 본체의 손상 및 안정성 문제가 새로이 유발되는 문제점을 가지고 있다. 더욱이, 일부 구성 요소의 불량시 분해가 실질적으로 불가능하므로 불량 요인의 근본적인 해결을 이룰 수 없다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 핫-멜트를 전지팩에 적용할 때 전지팩의 상부 및 하부에서 별도로 분리하여 주입하는 방식으로 압력 조절을 개별 관리하여 불량율을 감소시켜 안전한 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 충방전이 가능한 전지셀이 팩 프레임 내에 장착되어 있는 전지팩으로서,
상기 전지셀의 상단에는 전극 단자들에 전기적으로 접속된 상태로 보호회로기판(PCB:Printed Circuit Board)가 탑재되어 있고;
상기 PCB가 탑재된 전지셀은 외주면이 감싸인 상태로 팩 프레임 내에 장착되어 있으며;
상기 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간에는 상온에서 고상인 절연성 수지가 개재되어 있고;
상기 절연성 수지는 용융 상태에서 일부가 이격 공간 중의 일측 부위에서 주입된 후 절연성 수지의 나머지가 대향측 부위에서 주입되는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지팩은, 충방전이 가능한 전지셀이 팩 프레임 내에 장착되어 있어 전지셀을 보호하는 구조로 형성되어 있고, 전지셀의 상단에는 전극 단자들에 전기적으로 접속된 상태로 보호회로기판(PCB)가 탑재되어 있다. 이어서, PCB가 탑재된 전지셀은 중공 사각형 형태인 팩 프레임 내에 장착될 수 있다. 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간에는 상온에서 고상인 절연성 수지가 개재될 수 있다.
즉, 전지셀이 팩 프레임 내부에 결합되고, 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이에는 용융 상태의 절연성 수지가 주입되어 프레임 형상과 같이 상온에서 중공 사각형 형태인 절연성 수지가 개재될 수 있다. 구체적으로, 절연성 수지는 용융 상태에서 일부가 이격 공간 중의 일측 부위에서 주입된 후 절연성 수지의 나머지가 대향측 부위에서 주입되는 구조로 구성될 수 있다. 따라서, 열가소성 수지를 전지팩에 적용할 때 전지팩의 상부 및 하부에서 별도로 개별적으로 주입하여 불량률을 감소시키고, 안전한 이차전지를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 핫-멜트를 전지팩에 적용할 때 전지팩의 상부 및 하부에서 별도로 분리하여 주입하는 방식으로 압력 조절을 개별 관리할 수 있다. 구체적으로, 절연성 수지의 일부는 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간 중에서 PCB가 위치하는 전지셀 상단의 이격 공간에 우선 주입된 후, 절연성 수지의 나머지가 전지셀 하단의 이격 공간에 주입될 수 있다. 또는, 절연성 수지의 일부는 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간 중에서 전지셀 하단의 이격 공간에 우선 주입된 후, 절연성 수지의 나머지가 PCB가 위치하는 전지셀 상단의 이격 공간에 주입될 수 있다.
여기서, 절연성 수지가 분리되어 주입될 때 소정 시간차가 발생할 수 있다. 구체적으로, 절연성 수지의 일부가 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간에 주입되는 시점과 절연성 수지의 나머지가 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간에 주입되는 시점의 간격은 0.1 초 내지 60 초일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 나머지 주입되는 절연성 수지는 절연성 수지가 응고되는 속도 및 주입 속도 등을 고려하면서, 소정 시간 후에 주입될 수 있다. 여기서, 이격 공간 중의 일측 부위에 주입되는 절연성 수지의 양은 절연성 수지의 전체량을 기준으로 10% 내지 90%일 수 있다. 구체적으로, 이격 공간 중의 일측 부위에 주입되는 절연성 수지의 양은 절연성 수지의 전체량을 기준으로 30 내지 70%일 수 있다. 또한, 정밀한 부분이나 복잡한 부분에 절연성 수지를 주입할 때에는 절연성 수지의 주입양, 주입 시간 및 주입 속도 등이 변경될 수 있다.
또한, 전지셀의 구조는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 전지셀은 장방형의 판상형이며, 팩 프레임도 전지셀을 내부에 결합할 수 있는 중공의 장방형 형상으로 형성될 수 있다. 상기 팩 프레임은 장방형 전지셀의 외주면의 4면에 대응하는 프레임 구조로 이루어질 수 있다.
상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 셀 케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 셀 케이스의 외주면을 열융착하여 실링한 구조의 파우치형 전지셀일 수 있다.
구체적으로, 판상형 전지셀은 양극, 분리막, 음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 전지셀로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성될 있다.
한편, 전지셀의 전극 단자와 PCB의 전기적 접속부를 PCB의 나머지 부위로부터 전기적으로 절연하기 위해 전지셀의 외주면의 일부 또는 전부를 감싸는 절연 테이프가 추가로 부가될 수 있다. 또한, PCB의 일면이 전지셀의 상단면과 마주하도록 전지셀의 상단면에 눕혀진 상태로 탑재될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 열가소성 수지는 핫-멜트 수지(hot-melt resin)일 수 있다. 핫-멜트 수지는 건조과정이 필요없이 경화가 진행되는 바, 생산라인의 자동화 및 생산성 증대를 가능하게 하는 포팅(potting) 공법으로 핫-멜트 수지의 주입이 수행될 수 있다. 상기 포팅 공법은 공정 속도 향상, 인건비 절감, 도포량 조절의 용이성으로 인한 원료량 감소 등 상당한 경제성을 가지는 장점이 있다.
또한, 상기 전지팩은 외면을 감싸는 라벨이 추가로 포함될 수 있다. 구체적으로, 라벨은 PCM과 전지팩의 외면 전체를 감싸는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전지셀은 부피 대비 용량에 관한 효율이 높은 리튬 이차전지일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 단위모듈로 포함하는 전지모듈을 제공한다.
상기 전지모듈은, 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장 장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 제조하는 방법을 제공하며, 이러한 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, PCM에 전지셀의 전극단자에 용접하고, 상기 전지셀의 전극단자에 PCM이 결합된 상태에서 전극단자를 절곡한다. 그 후, PCM과 팩 프레임 상단부 사이에 절연 테이프를 개재하고, 상기 전지셀을 팩 프레임에 장착하는 단계를 수행한다. 전지셀이 팩 프레임에 장착된 후에, 절연성 수지의 일부를 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간 중에서 PCB가 위치하는 전지셀 상단의 이격 공간에 우선 주입된 후, 절연성 수지의 나머지를 전지셀 하단의 이격 공간에 주입하는 단계를 수행한다. 상기 단계들을 수행한 후 전지셀을 포함한 팩 프레임에 라벨을 부착하여 전지팩을 제조한다.
이와 같이 전지팩을 제조하는 방법에서 PCM을 전지셀의 전극단자에 용접하는 단계의 용접은 스폿 용접(spot welding), 레이저 용접(laser welding) 또는 초음파 용접(ultrasonic welding)일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 핫-멜트 수지를 전지팩의 상하부에서 양방향으로 주입하고, 또한 핫-멜트의 압력 조절을 개별 관리함으로써 전지팩의 불량률을 감소시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지의 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 부분 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PCB가 부착된 전지팩의 부분 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PCB가 절곡된 전지팩의 부분 모식도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩이 팩 프레임에 결합된 전지팩의 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩을 감싸는 라벨이 부착된 전지팩의 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 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 이차전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 이차전지(10)는, 파우치형의 전지케이스(20) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 내장되어 있고, 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)이 두 개의 전극리드(40, 41)에 각각 용접되어 전지케이스(20)의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 포장재로 되어 있으며, 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일측이 연결되어 있는 덮개(22)로 이루어져 있다.
또한, 전지케이스(20)는 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 최외각을 이루는 외측 수지층(20a), 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층(20b), 및 밀봉을 위한 내측 수지층(20c)으로 구성되어 있다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 부분 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PCB가 부착된 전지셀의 부분 모식도가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PCB 연결부위가 절곡된 전지셀의 부분 모식도가 도시되어 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 전지셀(110)의 단자들(131, 132)과 PCB(120)가 스폿 용접되어 있다. PCB(120)의 양극에는 도전성 니켈 테이프(133)가 부착되어 있다. 또한, 전지셀(110)의 전극 단자들(131, 132)과 PCB(120)의 전기적 접속부를 PCB(120)의 나머지 부위로부터 전기적으로 절연하기 위해 전지셀(110)의 외주면의 일부 또는 전부를 감싸는 절연 테이프(150)가 추가로 부가된다.
상기 단자들(131, 132)과 PCB(120)가 접속되고, 절연 테이프(150)가 부가된 상태에서, PCB(120)의 일면이 전지셀(110)의 상단면과 마주하도록 전지셀(110)의 상단면에 눕혀진 상태로 탑재되어 있다. 즉, 단자들(131, 132)과 PCB(120)가 접속되는 접속부가 절곡되어 PCB(120)의 일면이 전지셀(110)의 상단면과 마주하는 상태로 탑재되어 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PCB가 부착된 전지셀의 부분 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전지셀(110)이 팩 프레임(130)에 결합되어 있다. 전지셀(110)의 상부의 상부 주입구(111)와, 하부의 하부 주입구(112)를 통해 열가소성 수지가 주입되도록 구성되어 있다. 즉, 절연성 수지의 일부는 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간 중에서 PCB가 위치하는 전지셀 상단의 이격 공간에 우선 주입된 후, 0.1초 내지 60초 후에 절연성 수지의 나머지가 전지셀 하단의 이격 공간에 주입되는 구조로 이루어져 있다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 감싸는 라벨이 부착된 전지팩의 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 열가소성 수지의 주입이 완료된 후 라벨(160)이 PCM과 전지셀의 외면 전체를 감싸는 구조로 결합되어 있어 전지팩의 안전성을 향상시키는 구조를 이룰 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 (23)

  1. 전지팩을 제조하는 방법으로서,
    상기 전지팩은, 충방전이 가능한 전지셀이 팩 프레임 내에 장착되어 있는 전지팩으로서,
    상기 전지셀의 상단에는 전극 단자들에 전기적으로 접속된 상태로 보호회로기판(PCB)가 탑재되어 있고;
    상기 PCB가 탑재된 전지셀은 외주면이 감싸인 상태로 팩 프레임 내에 장착되어 있으며;
    상기 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간에는 상온에서 고상인 절연성 수지가 개재되어 있고;
    상기 절연성 수지는 용융 상태에서 일부가 이격 공간 중의 일측 부위에서 주입된 후 절연성 수지의 나머지가 대향측 부위에서 주입되며,
    상기 전지셀은 장방형의 판상형 전지셀이고,
    상기 팩 프레임은 장방형 전지셀의 외주면인 4면에 대응하는 프레임 구조로 이루어져 있으며,
    상기 절연성 수지의 일부는 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간 중에서 PCB가 위치하는 전지셀 상단의 이격 공간에 우선 주입된 후, 절연성 수지의 나머지가 전지셀 하단의 이격 공간에 주입되고,
    상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 셀 케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 셀 케이스의 외주면을 열융착하여 실링한 구조의 파우치형 전지셀이며,
    상기 전지팩의 제조방법은,
    (a) PCM을 전지셀의 전극단자에 용접하는 단계;
    (b) 양극단자에 도전성 니켈 테이프를 부착하는 단계;
    (c) 전지셀의 전극단자와 접속된 PCM을 절곡하는 단계;
    (d) PCM과 팩 프레임 상단부 사이에 절연 테이프가 부착되는 단계;
    (e) 전지셀을 팩 프레임에 장착하는 단계;
    (f) 절연성 수지의 일부는 전지셀의 외주면과 팩 프레임의 내면 사이의 이격 공간 중에서 PCB가 위치하는 전지셀 상단의 이격 공간에 우선 주입된 후, 절연성 수지의 나머지가 전지셀 하단의 이격 공간에 주입되는 단계; 및
    (g) 전지셀을 포함한 팩 프레임에 라벨을 부착하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조방법.
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  6. 제 1 항에 있어서, 상기 절연 테이프는 전지셀의 전극 단자와 PCB의 전기적 접속부를 PCB의 나머지 부위로부터 전기적으로 절연하기 위해 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 PCB는 전지셀의 상단면에 눕혀진 상태로 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 수지는 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 핫-멜트 수지(hot-melt resin)인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 포팅(potting) 공법으로 주입되는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
  11. 삭제
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  13. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 수지의 일부가 주입되는 시점과 절연성 수지의 나머지가 주입되는 시점의 간격은 0.1초 내지 60초인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 이격 공간 중의 일측 부위에 주입되는 절연성 수지의 양은 절연성 수지의 전체량을 기준으로 10 내지 90%인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 이격 공간 중의 일측 부위에 주입되는 절연성 수지의 양은 절연성 수지의 전체량을 기준으로 30 내지 70%인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
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  22. 제 1 항에 있어서, 상기 용접은 스폿 용접(spot welding), 레이저 용접(laser welding) 또는 초음파 용접(ultrasonic welding)인 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
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