KR101732698B1 - 이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전극 조립체와 효과적으로 열전달할 수 있는 전극 탭을 갖는 이차 전지를 제공하기 위한 것이고, 케이스로부터 돌출되는 탭이 없는 이차 전지를 제공하기 위한 것이고, 이차 전지 모듈(또는 팩)을 용이하게 형성할 수 있는 이차 전지를 제공하기 위한 것이고, 에너지 밀도가 높은 이차 전지 모듈을 제공하기 위한 것이고, 열전달 유체와 이차 전지가 효율적으로 열교환할 수 있는 이차 전지 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 케이스; 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 케이스 및 상기 전극 조립체에 형성되는 관통공에 배치되고, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 센터 탭을 포함하는, 이차 전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 케이스; 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 케이스 및 상기 전극 조립체에 형성되는 관통공에 배치되고, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 센터 탭을 포함하는, 이차 전지가 제공된다.
Description
본 발명의 실시예들은 이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 모듈에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 센터 탭을 포함하는 이차 전지 및 이와 같은 이차 전지를 포함하는 이차 전지 모듈에 관한 것이다.
재충전이 가능한 이차 전지 중 차세대 동력원으로 주목받는 리튬 이차 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연방전이 일어나는 정도가 작고, 매우 가벼워 노트북, 카메라, 핸드폰 등과 같은 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화시스템, 그리고 자동차, 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 일반적으로는, 전해액(electrolytic solution)의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와, 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 분류된다. 또한, 이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있으며, 크게 원통형, 각형(prismatic), 파우치형으로 분류될 수 있다.
또한, 통상적으로 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극판, 음극 활물질이 코팅된 음극판 및 이 양극판과 음극판 사이에 배치되어 리튬 이온의 이동만을 가능하게 하면서 쇼트는 방지하는 분리막으로 구성되는 전극 조립체; 이 전극 조립체를 수용하는 케이스; 이 케이스 내측에 수용되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 구성된다.
특히, 파우치형 리튬 이차 전지는 알루미늄 케이스보다 현저히 가볍고 가요성인 파우치 포장재로 케이스가 구성되어, 각형 리튬 이차 전지에 비하여 높은 에너지 밀도(energy density)를 가질 수 있다.
한편, 전극 조립체는, 긴 시트형의 양극판과 음극판을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 권취형 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극판과 음극판을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 적층형 전극조립체, 및 소정 단위의 양극판과 음극판을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 일 방향으로 또는 지그재그 방향으로 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체로 분류될 수 있다. 이와 같은 전지부는 젤리(Jelly)를 와인딩한 형상과 유사하여 일반적으로 젤리 롤(Jelly Roll)이라 불린다.
또한, 파우치형 이차 전지의 경우에, 케이스의 일 단부 또는 2개의 대향 단부 또는 서로 2 개의 인접하는 단부에 양극 탭 및 음극 탭이 케이스로부터 돌출되도록 마련된다. 이 양극 탭 및 음극 탭은 리드를 통해서 케이스 내부의 양극판 및 음극판과 전기적으로 연결된다.
그런데, 이와 같은 양극 탭 및 음극 탭은 이차 전지가 이차 전지 모듈(또는 팩)을 구성할 때, 탭이 차지하는 공간으로 인해, 부피당 에너지 밀도를 감소시키게 된다.
또한, 이차 전지의 충방전 시에 이차 전지에서 발생되는 열을 냉각시키기 위한 기존의 탭 냉각(수냉 방식) 방식의 경우, 냉각 장치의 부피가 클 뿐만 아니라, 이차 전지가 고르게 냉각되기 어렵다(특허문헌 2 및 3 참조).
본 발명의 실시예들은, 전극 조립체와 효과적으로 열전달할 수 있는 전극 탭을 갖는 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 케이스로부터 돌출되는 탭이 없는 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 이차 전지 모듈(또는 팩)을 용이하게 형성할 수 있는 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 에너지 밀도가 높은 이차 전지 모듈을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 열전달 유체와 이차 전지가 효율적으로 열교환할 수 있는 이차 전지 모듈을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 케이스; 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 케이스 및 상기 전극 조립체에 형성되는 관통공에 배치되고, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 센터 탭을 포함하는, 이차 전지가 제공된다.
상기 센터 탭은 상기 전극 조립체의 양극판 및 음극판 중 어느 하나의 전극판과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 양극판 및 상기 음극판 중 어느 하나의 전극판에는, 상기 관통공의 부분을 이루며 상기 센터 탭이 통과되는 제 1 구멍이 형성되고, 상기 어느 하나의 전극판의 상기 제 1 구멍의 둘레에는 무지부가 형성되며, 상기 무지부는 상기 센터 탭과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 양극판 및 상기 음극판 중 나머지 하나의 전극판에는, 상기 관통공의 부분을 이루며 상기 센터 탭이 통과되는 제 2 구멍이 형성되고, 상기 제 2 구멍은 상기 제 2 구멍의 둘레부가 상기 센터 탭과 접촉되지 않도록 상기 제 1 구멍보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 전극 조립체의 분리막에는, 상기 관통공의 부분을 이루며 상기 센터 탭이 통과되는 제 3 구멍이 형성되고, 상기 제 3 구멍은 상기 제 2 구멍보다 작고 상기 제 1 구멍보다 크게 형성될 수 있다.
상기 센터 탭은 제 1 탭부, 제 2 탭부, 및 일단부에서 상기 제 1 탭부와 연결되고 다른 단부에서 상기 제 2 탭부와 연결되는 중간 탭부를 포함할 수 있다.
상기 중간 탭부의 내면에는 나사선이 형성될 수 있다.
상기 제 1 탭부 및 상기 제 2 탭부 중 적어도 하나의 탭부에는 플랜지부가 제공될 수 있다.
상기 센터 탭은, 상기 제 1 탭부 및 상기 제 2 탭부 중 적어도 하나의 탭부에 연결되어 상기 이차 전지의 상기 케이스 표면과 열교환을 하기 위한 열전달 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 중간 탭부는 중공의 원통형 기둥 형상일 수 있다.
상기 센터 탭은 제 1 탭부 및 제 2 탭부을 포함하고, 상기 제 1 탭부 및 상기 제 2 탭부 중 적어도 어느 하나의 탭부의 내면에는 나사선이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 상기 이차 전지; 및 상기 복수의 이차 전지의 상기 센터 탭에 삽입되는 센터 봉을 포함하는, 이차 전지 모듈이 제공된다.
상기 센터 봉의 외면에는 나사선이 형성될 수 있다.
상기 센터 봉은 중공이며, 상기 이차 전지 모듈은 상기 센터 봉에 삽입되는 열전달 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 센터 봉은 중공이며, 상기 센터 봉의 내면에는 부도체층이 형성될 수 있다.
상기 센터 봉을 통해서 열전달 유체가 유동될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 케이스; 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 케이스 및 상기 전극 조립체에 형성되는 절결부에 삽입되고, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 센터 탭을 포함하는, 이차 전지가 제공될 수 있다.
상기 센터 탭은 상기 전극 조립체의 양극판 및 음극판 중 어느 하나의 전극판과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 양극판 및 상기 음극판 중 어느 하나의 전극판에는, 상기 절결부의 부분을 구성하며 상기 센터 탭이 삽입되는 제 1 절결부가 형성되고, 상기 어느 하나의 전극판의 상기 제 1 절결부의 둘레에는 무지부가 형성되며, 상기 무지부는 상기 센터 탭과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 양극판 및 상기 음극판 중 나머지 하나의 전극판에는, 상기 절결부의 부분을 구성하며 상기 센터 탭이 삽입되는 제 2 절결부가 형성되고, 상기 제 2 절결부는 상기 나머지 하나의 전극판의 상기 제 2 절결부의 둘레부가 상기 센터 탭과 접촉되지 않도록 상기 제 1 절결부보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 센터 탭은 상기 센터 탭의 양 단부에 형성되는 플랜지부를 포함하고, 상기 플랜지부는 상기 케이스의 외측 표면 상에서 연장될 수 있다.
본 발명이 또 다른 측면에 따르면, 복수의 상기 이차 전지; 및 상기 센터 탭에 삽입되는 센터 봉을 포함하는, 이차 전지 모듈이 제공된다.
상기 센터 봉은 중공이며, 상기 이차 전지 모듈은 상기 센터 봉에 삽입되는 열전달 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 센터 봉은 중공이며, 상기 센터 봉의 내면에는 부도체층이 마련될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도,
도 2는 도 1의 II-II 선에 따른 부분 확대 단면도,
도 3의 (a) 및 (b)는 서로 다른 실시예에 따른 센터 탭의 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 전극 조립체를 구성하는 전극판 및 분리막의 개략적인 평면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도,
도 6은 도 1 의 II-II 선에 대응하는 선에 따른 도 5의 부분 확대 단면도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 전극 조립체를 구성하는 전극판 및 분리막의 개략적인 평면도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 부분 분해 사시도,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 개략적인 블록 다이어그램,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도,
도 11은 도 10의 XI-XI 선에 따른 부분 확대 단면도,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 센터 탭의 사시도,
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도,
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 개략적인 부분 분해 사시도,
도 15의 (a) 및 (b)는 본 발명의 서로 다른 변형예에 따른 이차 전지의 평면도,
도 16은 본 발명의 또 다른 변형예에 따른 센터 탭의 평면도.
도 2는 도 1의 II-II 선에 따른 부분 확대 단면도,
도 3의 (a) 및 (b)는 서로 다른 실시예에 따른 센터 탭의 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 전극 조립체를 구성하는 전극판 및 분리막의 개략적인 평면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도,
도 6은 도 1 의 II-II 선에 대응하는 선에 따른 도 5의 부분 확대 단면도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 전극 조립체를 구성하는 전극판 및 분리막의 개략적인 평면도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 부분 분해 사시도,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 개략적인 블록 다이어그램,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도,
도 11은 도 10의 XI-XI 선에 따른 부분 확대 단면도,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 센터 탭의 사시도,
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도,
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 개략적인 부분 분해 사시도,
도 15의 (a) 및 (b)는 본 발명의 서로 다른 변형예에 따른 이차 전지의 평면도,
도 16은 본 발명의 또 다른 변형예에 따른 센터 탭의 평면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도가 도시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(10)는 전극 조립체(20; 도 2 참조)를 수용하는 케이스(11); 음극(또는 양극)의 센터 탭(13); 및 전극 조립체(20)에 리드(7; 도 4 참조)를 통해서 연결되고, 케이스(11)의 외부로 돌출되는 양극(또는 음극)의 끝단 탭(12)을 포함한다.
전극 조립체(20)는, 예를 들어, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극판과 음극판을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 적층형, 또는 소정 단위의 양극판과 음극판을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 일 방향으로 또는 지그재그 방향으로 폴딩한 구조의 스택/폴딩형일 수 있으나, 이외의 다른 형태도 가능하다.
케이스(11)는 전극 조립체(20)를 밀봉되게 수용하도록 전극 조립체(20)를 외부에서 둘러싸는 형태로 형성된다. 케이스(11)는, 예를 들어 전극 조립체(20)가 삽입될 수 있는 공간을 형성하는 몸체부, 및 이 몸체부를 덮는 커버부로 구성될 수 있다. 또한, 케이스(11)는 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 열접착층, 고분자 수지층 및 금속층을 포함할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 30 ~ 40 ㎛의 두께를 갖고 금속층의 일 표면에 형성되는 열접착층의 재질은, 예를 들어 변성 폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원공중합체, 아크릴계 수지 및 실리콘계 수지 등 중에서 적어도 하나가 사용될 수 있으며, 변성 폴리프로필렌으로는 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene: CPP)이 사용될 수 있다.
또한, 위 경우에 있어서, 금속층은 케이스(11)의 외부로부터 내부로의 수증기 또는 기체의 침투를 방지하며, 케이스(11) 내부의 전해액이 누출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 금속층은 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al) 등 중에서 적어도 하나가 사용될 수 있으며, 알루미늄을 사용하는 것이 좀더 효과적이다.
또한, 위 경우에 있어서, 케이스(11)의 외측 표면을 형성하는 고분자 수지층의 재질은, 예를 들어 폴리아미드 수지(나일론), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아크릴계 수지 등 중에서 적어도 하나가 사용될 수 있다.
케이스(11)의 몸체부에 형성되는 공간부에는 전극 조립체 및 전해액이 수용될 수 있다. 전극 조립체 및 전해액이 수용된 상태에서 몸체부의 공간부는 커버에 의해서 폐쇄되고, 커버와 몸체부의 테두리부분이 열융착되어 케이스(11)가 밀봉될 수 있다. 이때, 끝단 탭(12)는 케이스(11)의 외부로 돌출될 수 있다.
끝단 탭(12)은 양극인 경우에는, 예를 들어, 알루미늄, 동 또는 니켈 등으로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 끝단 탭(12)이 음극인 경우에는, 예를 들어 구리, 니켈 또는 스테인레스스틸 등으로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 또한, 끝단 탭(12)은 전극 조립체의 양극판 또는 음극판에 연결되는 양극 리드(7) 또는 음극 리드에 연결될 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1의 II-II 선에 따른 이차 전지(10)의 개략적인 부분 단면도로서 케이스(11) 및 전극 조립체(20)의 구성이 용이하게 식별될 수 있도록 확대되어 도시된다. 도시된 바와 같이, 전극 조립체(20)의 양극판(14), 음극판(15) 및 양극판(14)과 음극판(15) 사이에 배치되는 분리막(16)이 교대로 배치되며, 상측 케이스(11) 바로 아래에는 분리막(16)이 배치되고, 하측 케이스(11)의 바로 위에는 분리막(16)이 배치된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(10)의 센터 탭(13)은 케이스(11)의 대략 중앙부에 형성되어 관통공을 이루는 구멍(111) 및 전극 조립체(20)의 대략 중앙부에 형성되어 관통공을 이루는 구멍(141, 151, 161)에 배치되어 전극 조립체(20)의 양극판(14) 또는 음극판(15)과 전기적으로 연결된다. 본 실시예에서는, 선테 탭(13)이 전극 조립체(20)의 음극판(15)과 전기적으로 연결된다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 센터 탭(13)의 구성에 대해서 더 자세히 설명한다. 도 3의 (a)에 따르면, 예를 들어 끝단 탭을 형성하는 도전성 재료로 만들어지는 센터 탭(13)은 제 1 탭부(131), 제 2 탭부(132), 및 중간 탭부(133)를 포함할 수 있다. 중간 탭부(133)의 일 단부에는 제 1 탭부(131)가 연결되고, 다른 단부에는 제 2 탭부(132)가 연결된다. 중간 탭부(133)의 내면에는 나사선(134)이 형성될 수 있어, 이차 전지(10)를 복수개 이용하여 전지 모듈(또는 팩)(200; 도 8 참조)을 형성할 때, 센터 봉(18-1, 18-2)과의 체결이 용이하게 될 수 있다. 또는, 센터 탭(13)은, 도 3의 (b)에 도시되는 바와 같이, 중간 탭부(133) 없이, 제 1 탭부(131)의 원통형 부분(131b')이 길게 형성될 수도 있으며, 이 원통형 부분(131b')의 내면에 나사선(135)이 형성될 수 있다.
제 1 탭부(131)는 원통형 부분(131b) 및 원통형 부분(131b)의 일 단부에서 원통형 부분(131b)의 축에 수직하는 방향으로 연장되는 플랜지부(131f)를 포함한다. 원통형 부분(131b)은 중간 탭부(133)에 끼움 또는 용접 등에 의해서 연결될 수 있다. 또한, 이들의 끼움부에는 밀봉을 위해서 O-링 등과 같은 밀봉 부재가 이용될 수도 있다. 플랜지부(131f)는 도 2에서 상측에 위치하는 케이스(11)의 외측 표면에 시일링되도록 스팟 웰딩(spot welding) 등에 의해서 고정될 수 있다.
제 2 탭부(132)는 원통형 부분(132b) 및 원통형 부분(132b)의 일 단부에서 원통형 부분(132b)의 축에 수직하는 방향으로 연장되는 플랜지부(132f)를 포함한다. 원통형 부분(132b)은 중간 탭부(133)에 끼움 등에 의해서 연결될 수 있다. 또한, 이들의 끼움부에는 밀봉을 위해서 O-링 등과 같은 밀봉 부재가 이용될 수도 있다. 플랜지부(132f)는 도 2에서 하측에 위치하는 케이스(11)의 외측 표면에 시일링되도록 스팟 웰딩(spot welding) 등에 의해서 고정될 수 있다.
중간 탭부(133) 또는 원통형 부분(131b')은 전극 조립체(20)의 양극판(14) 또는 음극판(15)과 전기적으로 연결될 수 있다. 도 2에 도시된 실시예의 경우, 중간 탭부(133)는 음극 활물질 층이 코팅되지 않은 음극판(15)의 무지부(152)에 전기적으로 연결된다.
도 4를 참조하여, 전극 조립체(20)에 형성된 관통공에 대해서 자세히 설명한다. 도시된 바와 같이, 양극 활물질이 코팅된 양극판(14)의 중앙부에는 전극 조립체(20)의 관통공의 부분을 이루는 구멍(141)이 형성된다. 또한, 양극판(14)의 일 가장자리 부분에는 리드(17)가 연결될 수 있다. 분리막(16)의 중앙부에도 전극 조립체(20)의 관통공의 부분을 이루는 구멍(161)이 형성되고, 음극판(15)의 중앙부에는 전극 조립체(20)의 관통공의 부분을 이루는 구멍(151)이 형성된다. 또한, 음극판(15)의 구멍(151)의 둘레에는 양극 활무질이 코팅되지 않은 무지부(152)가 형성된다.
구멍(141, 151, 161)의 형상은 센터 탭(13)의 중간 탭부(113) 또는 센터 탭(13)의 원통형 부분(131b')의 단면 형상에 대응하도록 동심적으로 구성될 수 있으며, 이들의 형상이 달라지면, 구멍(141, 151, 161)의 모양도 달라질 수 있다.
음극판(15)의 구멍(151)은 구멍(151) 둘레의 무지부(152)가 센터 탭(13)과 전기적으로 접촉을 할 수 있는 크기로 형성된다. 반면, 양극판(14)의 구멍(141)은 센터 탭(13)과 전기적으로 접촉하지 않는 크기로 형성된다. 분리막(16)의 구멍(161)은 음극판(15)의 무지부(152)가 양극판(14)에 접촉되지 않도록 양극판(14)의 구멍(141)보다 더 작게 그리고 음극판(15)의 구멍(151)보다 더 크게 형성될 수 있다(a > c > b > d).
본 실시예에서, 양극판(14)에 연결되는 리드(17)는 끝단 탭(12)에 연결되고, 끝단 탭(12)은 케이스(11)의 외부로 돌출될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에 따른 이차 전지(10)를 복수 개 적층하여 이차 전지 모듈(또는 팩)이 형성될 수 있으며, 이 경우, 이차 전지(10)의 센터 탭(13)이 일렬로 정렬되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 센터 탭(13)을 통해서 센터 봉(18-1 또는 18-2; 도 8 참조)과 나사 연결되어, 복수의 이차 전지(10)를 하나의 모듈로 연결할 수 있다. 아울러, 센터 봉(18-1 또는 18-2)을 통해서 전기 절연성의 냉매와 같은 열전달 유체가 유동될 수 있으며, 또는 센터 봉(18-1 또는 18-2)의 내면에 절연층이 마련될 수도 있으며, 이를 통해서 열전달 유체가 유동될 수도 있다. 또는 별도의 열전달 라인이 센터 봉(18-1 또는 18-2) 내에 배치될 수 있다.
전술된 바와 같은 구성을 갖는 이차 전지에 따르면, 전지 케이스(11) 외부로 돌출되는 끝단 탭(12)의 개수를 줄일 수 있어, 이차 전지 모듈을 구성하는 경우, 부피를 줄일 수 있어, 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며, 센터 탭(13)을 통해서 열전달 유체가 유동되므로 센터 탭(13)과의 열전달(냉각 또는 가열)이 효과적으로 이루어질 수 있으며, 센터 탭(13)이 이차 전지(10)의 중앙 부분에 있어 전극 조립체 내에서 전류의 경로가 종래에 비하여 짧아질 수 있어 출력이 향상될 수 있으며, 전지와의 열전달이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있다. 또한, 복수의 이차 전지(10)가 적층될 때 센터 탭(13)을 정렬시키고 여기에 센터 봉(18-1, 18-2)을 삽입함으로써 복수의 이차 전지를 용이하게 이차 전지 모듈로 조립할 수 있다.
도 5를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 설명한다. 이하 설명에 있어서, 일 실시예에 따른 이차 전지(10)와 유사한 사항에 대해서는 설명을 생략한다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(100)의 사시도를 도시한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(20a; 도 6 참조)를 수용하는 케이스(11), 제 1 센터 탭(13-1) 및 제 2 센터 탭(13-2)을 포함한다. 그러나, 도시된 바와 같이, 케이스(11)의 외부로 돌출되는 끝단 탭은 없다.
도 6을 참조하여, 제 1 센터 탭(13-1) 및 제 2 센터 탭(13-2)에 대해서 설명한다. 제 1 센터 탭(13-1)은 양극 센터 탭으로서, 전극 조립체(20a)의 양극판(14)과 전기적으로 연결된다. 도시된 바와 같이, 제 1 센터 탭(13-1)의 중간 탭부(133-1)는 양극판(14)에 형성되는 무지부(143)에 접촉된다. 또한, 제 1 센터 탭(13-1)은 음극판(15)의 구멍(153; 도 7 참조)을 통과하나, 음극판(15)과는 접촉하지 않는다.
제 2 센터 탭(13-2)은 음극 센터 탭으로서, 전술된 일 실시예에 따른 이차 전지(10)의 센터 탭(13)과 유사하므로 이에 대한 설명은 생략한다. 또한, 제 2 센터 탭(13-2)과 연결되는 전극 조립체(20a)의 구성 또한 일 실시예의 전극 조립체(20)와 유사하므로 생략한다.
도 7을 참조하여, 전극 조립체(20a)에 포함되는 양극판(14), 음극판(15) 및 양극판(14)과 음극판(15) 사이에 배치되는 분리막(16)에 대해서 설명한다.
양극판(14)에는, 2 개의 구멍(141, 142)의 형성된다. 제 1 구멍(141)은, 전술된 바와 같이, 양극판(14)이 제 1 구멍(141)을 통과하는 음극 센터 탭(13-2)과 접촉되지 않는 크기로 형성된다. 제 2 구멍(142)은 양극판(14)이 제 2 구멍(142)을 통과하는 양극 센터 탭(13-1)과 접촉되는 크기로 형성된다. 또한, 제 2 구멍(142)의 둘레부에는 무지부(143)가 형성되어, 양극판(14)이 제 2 구멍(142)을 통과하는 양극 센터 탭(13-1)과 전기적으로 더욱 양호하게 연결될 수 있다. 제 1 구멍(141) 및 제 2 구멍(142)은 전극 조립체를 관통하는 2개의 관통공의 부분을 이룬다.
음극판(15)에는, 2 개의 구멍(151, 153)이 형성된다. 제 1 구멍(151)은 전술된 바와 같이, 음극판(15)이 제 1 구멍(151)을 통과하는 음극 센터 탭(13-2)과 접촉되는 크기로 형성된다. 또한, 제 1 구멍(151)의 둘레부에는 무지부(152)가 형성되어, 음극판(151)이 제 1 구멍(151)을 통과하는 음극 센터 탭(13-2)과 전기적으로 더 양호하게 연결될 수 있다. 제 2 구멍(153)은 음극판(15)이 제 2 구멍(153)을 통과하는 양극 센터 탭(13-1)과 접촉되지 않는 크기로 형성된다. 제 1 구멍(151) 및 제 2 구멍(153)은 전극 조립체(20a)를 관통하는 2개의 관통공의 부분을 이룬다.
분리막(16)에는, 2 개의 구멍(161, 162)가 형성된다. 제 1 구멍(161)은 전술된 바와 같이, 음극판(15)의 무지부(152)가 양극판(14)과 접촉되는 것을 방지하도록 양극판(14)의 제 1 구멍(141)보다 작게 그러나 음극판(15)의 제 1 구멍(151) 보다는 크게 형성될 수 있다. 제 2 구멍(162)은 양극판(14)의 무지부(143)가 음극판(15)과 접촉되는 것을 방지하도록 음극판(15)의 제 2 구멍(153)보다 더 크게 형성된다(도 7 에서, a > c > b > d = e).
양극판(14), 분리막(16), 및 음극판(15)이 적층되어 전극 조립체(20a)를 구성할 때, 양극판(14)의 제 1 구멍(141), 분리막(16)의 제 1 구멍(161) 및 음극판(15)의 제 1 구멍(151)은 서로 일렬로 배치될 수 있고, 양극판(14)의 제 2 구멍(142), 분리막(16)의 제 2 구멍(162) 및 음극판(15)의 제 2 구멍(153)은 서로 일렬로 배치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 분해 사시도를 도시한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈(200)은 복수의 이차 전지(100); 및 이차 전지(100)의 센터 탭(13-1, 13-2)을 통과하는 센터 봉(18-1, 18-2)을 포함한다. 센터 봉(18-1, 18-2)의 몸체부(181) 외면에는 센터 탭(13-1, 13-2)의 내면에 형성되는 나사선과 대응하는 나사선(182)이 형성될 수 있다. 또는, 센터 탭(13-1, 13-2)의 단면 형상이 원형 이외의, 예를 들어 다각형 형상 또는 기본 형상에 돌기가 형성되는 형상 등으로 형성될 수도 있으며, 이 경우, 센터 봉(18-1, 18-2)의 단면 형상도 이에 대응하도록 형성될 수 있다.
센터 봉(18-1, 18-2)의 내부에는 전기절연성의 열전달 유체가 유동될 수 있다. 또는 센터 봉(18-1, 18-2)의 내면에는 전기절연층이 형성될 수도 있다. 또는 전기절연성의 열전달 라인(19)이 삽입될 수도 있다.
센터 봉(18-1, 18-2)의 내부를 유동하는 열전달 유체는 이차 전지(100)로 부터 발생되는 열을 외부로 배출할 수 있으며, 또는 외부의 열을 이차 전지(100)에 전달할 수도 있다.
도 9를 참조하면, 열전달 유체 온도 유지 장치를 포함하는 이차 전지 모듈의 블록 다이어그램이 도시된다. 도시된 바와 같이, 유체 펌프는 열전달 라인을 통해서 열전달 유체가 복수의 이차 전지(100)를 통과하도록 하여, 열전달 유체와 복수의 이차 전지(100) 사이에서 열교환, 예를 들어 복수의 이차 전지(100)의 냉각 또는 가열이 이루어지도록 한다. 여기서 열전달 유체 온도 유지 장치는 유체 리저버에 저장되는 열전달 유체의 온도를 미리 결정된 온도 범위 내에서 유지할 수 있도록 유체 리저버에 열을 가하거나 방출할 수 있는 장치이다.
이와 같은 구성을 갖는 이차 전지 모듈에 따르면, 이차 전지 모듈을 위한 복수의 이차 전지의 전극 탭의 연결 및 조립을 용이하게 할 수 있고, 열전달 유체가 이차 전지의 중심부를 통과하기 때문에 이차 전지와 열전달 유체 사이의 열전달이 효과적으로 이루어질 수 있으며, 케이스 외부로 돌출되는 끝단 탭이 없으므로, 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있다.
또한, 도 16을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센터 탭의 개략적인 평면도가 도시된다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 센터 탭(13d)은, 도 3에 도시된 센터 탭(13)에 비하여, 제 1 탭부(131) 및 제 2 탭부(132) 중 적어도 하나의 플랜지부(131f, 132f) 대신에 열전달 부재(136)를 포함한다. 열전달 부재(136)는 열전도성이 양호한 금속 재료로 형성될 수 있으며, 플랜지부(131f, 132f)를 사방으로 연장하는 형상을 가질 수 있다. 열전달 부재(136)는 이차 전지(10, 100)의 케이스(11) 표면과 센터 탭(13d)을 통과하는 열전달 유체 사이에서 열을 전달하는 역할을 한다. 즉, 예를 들어 이차 전지(10, 100)의 케이스(11) 표면에서 열이 발생되는 경우, 열전달 부재(136)는 이차 전지(10, 100)의 케이스(11) 표면으로부터 열을 흡수하여, 예를 들어, 열전달 라인(19)을 통해서 유동되는 열전달 유체에 열을 전달한다. 또는, 예를 들어 이차 전지(10, 100)에 열이 필요한 경우, 예를 들어 열전달 라인(19)을 통해서 유동되는 열전달 유체에 의해서 센터 탭(13)에 전달되는 열을 이차 전지(10, 100)의 케이스(11) 표면으로 전달할 수 있다.
또한, 전술된 실시예에서, 관통공 및 센터 탭은 원기둥 형상으로 구성되나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 15의 (b)에 도시된 바와 같이 이차 전지(10d)에 사각 기둥과 같은 다각형 기둥 형상의 관통부가 형성되고, 이 관통부에 대응하는 형상을 갖는 센터 탭(13d-1, 13d-2)이 이 관통부에 배치될 수도 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도가 도시된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지(10a)는 전극 조립체(20a; 도 11 참조)를 수용하는 케이스(11); 및 이차 전지(10a)의 절결부(21)에 배치되며, 케이스(11) 내부의 전극 조립체(20a)의 양극판(또는 음극판)에 연결되는 센터 탭(13a)을 포함한다. 또한, 이차 전지(10a)는 케이스(11) 내부에서 전극 리드(도시 안됨)에 의해서 전극 조립체(20a)의 음극판(또는 양극판)에 연결되며, 케이스(11)의 일변에서 돌출되도록 배치되는 끝단 탭(12)을 포함하거나, 또는 끝단 탭(12) 대신, 다른 절결부(도시 안됨)에 배치되며, 케이스(11) 내부의 전극 조립체(20a)의 음극판(또는 양극판)에 연결되는 다른 센터 탭을 더 포함할 수 있다.
도 11은 도 10의 XI-XI 선에 따른 단면의 일부를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 케이스(11) 및 케이스(11) 내부에 수납되는 전극 조립체(20a)에는 각각 절결부가 형성되어 이차 전지(10a)의 절결부(21)를 이룬다. 센터 탭(13a)은 이차 전지(10a)의 절결부(21)에 배치되며, 센터 탭(13a)의 제 1 플랜지부(131a) 및 제 2 플랜지부(132a)는, 예를 들어 각각 케이스(11)의 외측 표면에 스팟 웰딩(spot welding) 등에 의해서 밀봉되도록 연결된다. 또한, 센터 탭(13a)의 전극 접촉면(133a)은 전극 조립체(20a)의 절결부의 양극판(14)(또는 음극판(15))의 무지부(143)와 접촉되어 전기적으로 연결된다. 또한, 센터 탭(13a)의 전극 접촉면(133a)에는 전극 조립체(20a)와의 양호한 접촉을 위해서 두께 방향으로 연장되는 돌기부(도시 안됨)가 형성될 수 있다.
전극 조립체(20a)는 양극판(14), 음극판(15) 및 이들 사이에 배치되는 분리막(16)으로 이루어지고, 전해액에 함침된다. 절결부(21)에 배치되는 양극판(14)(또는 음극판(15))의 부분에는 무지부(143)가 형성되어, 센터 탭(13a)의 전극 접촉면(133a)과의 전기적 접촉을 더욱 향상시킬 수 있다. 전극 조립체(20a)의 두께는 센터 탭(13a)의 제 1 플랜지부(131a)와 제 2 플랜지부(132a)(도 12 참조) 사이 간격과 동일하거나 약간 크게 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의해서, 센터 탭(13a)의 제 1 및 제 2 플랜지부(131a, 132a)가 케이스(11) 및 전극 조립체(20a)를 파지하여 센터 탭(13a)이 전극 조립체(20a)에 고정될 수 있다.
또한, 도 10 내지 도 12에서, 절결부(21) 및 이에 대응하는 전극 조립체(13a)의 형상이 사각 기둥이나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 15의 (a)를 참조하면, 이차 전지(10c)에 형성되는 절결부 및 이 절결부에 배치되는 센터 탭(13c-1, 13c-2)이 원기둥의 일부 형상일 수도 있다.
또한, 도 13에 개략적으로 도시되는 바와 같이, 끝단 탭(12)이 없이, 이차 전지(10b)에 제 2 절결부(21-2) 및 이에 대응하는 제 2 센터 탭(13b-2)이 배치될 수 있다. 제 1 및 제 2 센터 탭(13b-1, 13b-2)은 전술된 센터 탭(13a)과 동일한 구성을 가질 수 있으며, 제 2 절결부(21-2)에 대응하는 전극 조립체(20a)의 음극판(15)(또는 양극판(14))의 절결부에는 전술된 바와 같은 무지부가 형성되어, 제 2 센터 탭(13b-2)과 전극 조립체(20a)의 전기적 접촉을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 14는 제 1 및 제 2 센터 탭(13b-1, 13b-2)을 포함하는 이차 전지(10b)를 복수개 포함하는 전지 모듈의 개략적인 사시도를 도시한다.
도시된 바와 같이, 각각의 이차 전지(10b)의 제 1 및 제 2 센터 탭(131b-1, 132b-2)은 이웃하는 이차 전지(10b)의 제 1 및 제 2 센터 탭(13b-1, 13b-2)과 접촉되도록, 특히 플랜지부가 서로 접촉되도록 배치된다. 이때, 복수의 이차 전지(10b)는 직렬로 또는 병렬로 연결될 수도 있다.
또한, 센터 탭(13b-1, 13b-2)에는 각각 센터 봉(18b-1, 18b-2)이 삽입될 수 있다. 센터 봉(18b-1, 18b-2)은 열 및 전기 전도성이 양호한 재료로 만들어질 수 있다. 또한, 센터 봉(18b-1, 18b-2)의 내부에는 도시되지 않은 열전달 라인이 배치되거나, 전기 절연층이 형성될 수 있고, 열전달 라인 또는 전기 절연층이 형성된 센터 봉(18b-1, 18b-2)을 통해서 열전달 유체가 유동될 수 있고, 또한 도 9에 도시되는 바와 같은 열전달 유체 온도 유지 장치를 포함하는 이차 전지 모듈을 구성할 수도 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 실시예를 중심을 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
또한, 본 발명에서 보이는 구성요소들을 공지의 유사한 기능을 수행하는 기술요소로 치환하거나 변형하는 것도 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 명백할 것이다.
따라서, 본 발명의 권리범위는 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 아래의 청구범위에서 보이는 사상 및 그 균등범위까지 미친다.
10; 10a; 10b; 10c; 10d; 100 : 이차 전지
11 : 케이스
111; 111-1; 111-2 : 구멍
12 : 끝단 탭
13; 13a; 13b; 13c-1; 13c-2; 13d-1; 13d-2 : 센터 탭
131 : 제 1 탭부
131a : 전극 접촉면
131f : 제 1 플랜지부
132 : 제 2 탭부
132f : 제 2 플랜지부
133 : 중간 탭부
134; 135 : 나사선
136 : 열전달 부재
14 : 양극판
141; 142 : 구멍
143 : 무지부
15 : 음극판
151; 153 : 구멍
152 : 무지부
16 : 분리막
161; 162 : 구멍
18-1; 18-2 : 센터 봉
181 : 몸체
182 : 나사선
19 : 열전달 라인
20; 20a : 전극 조립체
200 : 전지 모듈
30 : 열전달 유체 온도 유지 장치
11 : 케이스
111; 111-1; 111-2 : 구멍
12 : 끝단 탭
13; 13a; 13b; 13c-1; 13c-2; 13d-1; 13d-2 : 센터 탭
131 : 제 1 탭부
131a : 전극 접촉면
131f : 제 1 플랜지부
132 : 제 2 탭부
132f : 제 2 플랜지부
133 : 중간 탭부
134; 135 : 나사선
136 : 열전달 부재
14 : 양극판
141; 142 : 구멍
143 : 무지부
15 : 음극판
151; 153 : 구멍
152 : 무지부
16 : 분리막
161; 162 : 구멍
18-1; 18-2 : 센터 봉
181 : 몸체
182 : 나사선
19 : 열전달 라인
20; 20a : 전극 조립체
200 : 전지 모듈
30 : 열전달 유체 온도 유지 장치
Claims (24)
- 케이스;
상기 케이스에 수용되는 전극 조립체;
상기 케이스 및 상기 전극 조립체에 형성되는 제 1 관통공에 배치되고, 상기 전극 조립체의 양극판과 전기적으로 연결되는 제 1 센터 탭; 및
상기 케이스 및 상기 전극 조립체에 형성되는 제 2 관통공에 배치되고, 상기 전극 조립체의 음극판과 전기적으로 연결되는 제 2 센터 탭;을 포함하고,
상기 제 1 센터 탭 및 상기 제 2 센터 탭은 케이스의 상측 및 하측 중 적어도 하나의 외측 표면으로 돌출되는, 이차 전지.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 센터 탭 및 상기 제 2 센터 탭은 제 1 탭부, 제 2 탭부, 및 일단부에서 상기 제 1 탭부와 연결되고 다른 단부에서 상기 제 2 탭부와 연결되는 중간 탭부를 포함하는, 이차 전지.
- 청구항 6에 있어서,
상기 중간 탭부의 내면에는 나사선이 형성되는, 이차 전지.
- 청구항 6에 있어서,
상기 제 1 탭부 및 상기 제 2 탭부 중 적어도 하나의 탭부에는 플랜지부가 제공되는, 이차 전지.
- 청구항 6에 있어서,
상기 제 1 센터 탭 및 상기 제 2 센터 탭은, 상기 제 1 탭부 및 상기 제 2 탭부 중 적어도 하나의 탭부에 연결되어 상기 이차 전지의 상기 케이스 표면과 열교환을 하기 위한 열전달 부재를 더 포함하는, 이차 전지.
- 청구항 6에 있어서,
상기 중간 탭부는 중공의 원통형 기둥 형상인, 이차 전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 센터 탭 및 상기 제 2 센터 탭은 제 1 탭부 및 제 2 탭부을 포함하고, 상기 제 1 탭부 및 상기 제 2 탭부 중 적어도 어느 하나의 탭부의 내면에는 나사선이 형성되는, 이차 전지.
- 청구항 1 및 6 내지 11 중 어느 한 항에 따른 복수의 이차 전지; 및
상기 복수의 이차 전지의 상기 제 1 센터 탭 및 상기 제 2 센터 탭에 삽입되는 센터 봉을 포함하는, 이차 전지 모듈.
- 청구항 12에 있어서,
상기 센터 봉의 외면에는 나사선이 형성되는, 이차 전지 모듈.
- 청구항 12에 있어서,
상기 센터 봉은 중공이며,
상기 이차 전지 모듈은 상기 센터 봉에 삽입되는 열전달 라인을 더 포함하는, 이차 전지 모듈.
- 청구항 12에 있어서,
상기 센터 봉은 중공이며, 상기 센터 봉의 내면에는 부도체층이 형성되는, 이차 전지 모듈.
- 청구항 15에 있어서,
상기 센터 봉을 통해서 열전달 유체가 유동되는, 이차 전지 모듈.
- 케이스;
상기 케이스에 수용되는 전극 조립체;
상기 케이스 및 상기 전극 조립체에 형성되는 제 1 절결공간에 삽입되고, 상기 전극 조립체의 양극판과 전기적으로 연결되는 제 1 센터 탭; 및
상기 케이스 및 상기 전극 조립체에 형성되는 제 2 절결공간에 삽입되고, 상기 전극 조립체의 음극판과 전기적으로 연결되는 제 2 센터 탭;을 포함하고,
상기 제 1 센터 탭 및 상기 제 2 센터 탭은 상기 케이스의 상측 및 하측 중 적어도 하나의 외측 표면으로 돌출되는, 이차 전지.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 17에 있어서,
상기 제 1 센터 탭 및 상기 제 2 센터 탭은 상기 제 1 센터 탭 및 상기 제 2 센터 탭의 양 단부에 형성되는 플랜지부를 포함하고, 상기 플랜지부는 상기 케이스의 외측 표면 상에서 연장되는, 이차 전지.
- 청구항 17 및 21 중 어느 한 항에 따른 복수의 이차 전지; 및
상기 제 1 센터 탭 및 상기 제 2 센터 탭에 삽입되는 센터 봉을 포함하는, 이차 전지 모듈.
- 청구항 22에 있어서,
상기 센터 봉은 중공이며,
상기 이차 전지 모듈은 상기 센터 봉에 삽입되는 열전달 라인을 더 포함하는, 이차 전지 모듈.
- 청구항 22에 있어서,
상기 센터 봉은 중공이며, 상기 센터 봉의 내면에는 부도체층이 마련되는, 이차 전지 모듈.
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| KR101297858B1 (ko) * | 2011-09-30 | 2013-08-19 | 주식회사 엘지화학 | 다공성 구조의 이차전지 및 이를 포함하는 전지모듈 |
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