KR101735805B1 - 열융착 부위가 절곡되어 있는 전지케이스를 포함하는 전지셀 - Google Patents

열융착 부위가 절곡되어 있는 전지케이스를 포함하는 전지셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열융착 부위가 절곡되어 있는 전지케이스를 포함하는 전지셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 복수의 극판들 또는 유닛셀들이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고, 그 중 적어도 둘 이상의 극판들 또는 유닛셀들은 서로 다른 평면 크기에 의해 계단 형상을 이루고 있는 전극조립체; 상부 케이스 및 하부 케이스로 이루어져 있고, 전극조립체를 수용하기 위한 수납부에는 전극조립체의 외면 형상에 대응하는 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 전지케이스; 및 상기 전지케이스 외부의 일측 방향으로 각각 돌출되어 있는 양극리드와 음극리드를 포함하고 있으며, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스로 이루어져 있고, 전극조립체가 수납부에 내장된 상태에서 외주변이 열융착 되어 있으며, 상기 양극리드와 음극리드가 위치하는 열융착 부위는 수납부의 측벽에 대면하도록 절곡되어 있는 것을 특징으로 전지셀을 제공한다.

Description

열융착 부위가 절곡되어 있는 전지케이스를 포함하는 전지셀 {Battery Cell Comprising the Cell Case Having a Thermally-Welded Portion Bent}
본 발명은 열융착 부위가 절곡되어 있는 전지케이스를 포함하는 전지셀에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이러한 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다. 일반적으로, 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 분류되며, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 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.
이 중, 전지의 고용량화로 인해 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공이 많은 관심을 모으고 있고, 이에 따라, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 파우치형 전지케이스(20) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(40, 41)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일체로서 연결되어 있는 커버(22)로 이루어져 있다.
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.
스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 각각 융착되어 전극리드(40, 41)에 함께 결합되어 있다. 또한, 케이스 본체(21)의 상단부와 커버(22)의 상단부가 융착되어 형성되는 열융착 부위(24)는 열융착기(도시하지 않음)에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극리드(40, 41) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극리드(40, 41)와 전지케이스(20)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극리드(40, 41)의 상하면에 절연필름(50)이 부착되어 있다.
이와 같이, 종래의 전지케이스의 열융착 부위는 전극리드들이 전지케이스로부터 돌출된 방향으로 형성되어 있어 사공간이 발생하게 되므로 전지셀의 고용량화를 달성할 수 없는 문제점이 있다.
또, 파우치형 전지케이스는 형태가 용이하게 변형되는 장점이 있지만, PTC 소자, 보호회로 모듈(Protection Circuit Module: PCM) 등의 장착시 견고함에 단점이 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 전지케이스의 열융착 부위에 사공간이 발생하여 전지셀의 고용량화에 제약이 되는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전지셀의 전극단자들이 위치하는 열융착 부위를 전극조립체 수납부의 측벽에 대면하도록 절곡하여 전지셀의 용량을 증대하고, 안전성이 증대된 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열융착 부위가 절곡되어 있는 전지케이스를 포함하는 전지셀은,
양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,
복수의 극판들 또는 유닛셀들이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고, 그 중 적어도 둘 이상의 극판들 또는 유닛셀들은 서로 다른 평면 크기에 의해 계단 형상을 이루고 있는 전극조립체;
상부 케이스 및 하부 케이스로 이루어져 있고, 전극조립체를 수용하기 위한 수납부에는 전극조립체의 외면 형상에 대응하는 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 전지케이스; 및
상기 전지케이스 외부의 일측 방향으로 각각 돌출되어 있는 양극리드와 음극리드;
를 포함하고 있으며,
상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스로 이루어져 있고, 전극조립체가 수납부에 내장된 상태에서 외주변이 열융착 되어 있으며,
상기 양극리드와 음극리드가 위치하는 열융착 부위는 수납부의 측벽에 대면하도록 절곡되어 있는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극단자들이 위치하는 열융착 부위를 전극조립체 수납부의 측벽에 대면하도록 절곡하여 전지셀의 용량을 증대하고, 보호회로 모듈을 콤팩트한 구조로 조립할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 전지셀은 평면상으로 직사각형 또는 정사각형인 판상형 전지셀일 수 있다.
상기 유닛셀은 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 상호 결합되어 있는 구조일 수 있고, 이러한 유닛셀은 양측 외면의 극판들의 극성이 동일한 바이셀 또는 양측 외면의 극판들의 극성이 서로 다른 풀셀일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 상기 유닛셀 둘 이상이 분리필름에 의해 권취된 상태로 적층 구조일 수 있다(S ＆ F 구조).
경우에 따라서, 상기 전극조립체는 상기 유닛셀 둘 이상이 분리막이 개재된 상태로 적층 구조일 수 있다(L ＆ S 구조).
여기에서, 서로 다른 평면 크기에 의해 계단 형상을 이루고 있는 상기 둘 이상의 극판들 또는 유닛셀들은 평면상으로 너비와 길이 중의 적어도 하나가 다른 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 둘 이상의 극판들 또는 유닛셀들에서, 상대적으로 작은 극판 또는 유닛셀은 평면상의 폭 또는 길이가 상대적으로 큰 크기의 극판 또는 유닛셀의 30% 내지 90% 크기 범위일 수 있다.
상기 양극리드와 음극리드가 위치하는 열융착 부위는 수납부의 측벽에 대면하도록 수직 절곡되어 있는 구조일 수 있고, 예를 들어, 상기 열융착 부위의 수직 절곡된 폭은 수납부 측벽의 높이를 기준으로 40% 내지 100% 크기일 수 있다.
이 경우에, 상기 열융착 부위의 수직 절곡된 폭은 수납부 측벽의 높이를 기준으로 50% 내지 95% 크기일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극리드와 음극리드는 열융착 부위의 단부에서 수납부의 대향 방향으로 수직 절곡되어 있는 구조일 수 있다.
또, 상기 양극리드와 음극리드 사이에 대응하는 수납부의 측벽 부위에는 만입형 가압부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
이 경우에, 상기 만입형 가압부는, 전극조립체를 수납부 내부에 정위치 고정하도록, 수납부의 측벽 일부가 전극조립체의 외면을 가압하는 형상으로 만입된 구조일 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 만입형 가압부의 너비는 수납부 측벽의 너비를 기준으로 10% 내지 30% 크기일 수 있고, 상기 만입형 가압부의 만입 깊이는 만입형 가압부의 너비를 기준으로 10% 내지 50% 크기일 수 있다.
또 다른 경우에, 상기 만입형 가압부에 대응하여 전극조립체의 극판들 또는 유닛셀들의 외면에는 오목부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 전지셀의 종류는 매우 다양할 수 있지만, 예를 들어, 리튬 이온을 매개로 하는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 전지셀을 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
본 발명은 또한, 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극단자들이 위치하는 전지케이스의 열융착 부위를 전극조립체 수납부의 측벽에 대면하도록 절곡하여 용량을 증대하고, 보호회로 모듈을 안전하게 장착하여 안전성을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래의 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 모식도이다;
도 3은 도 2의 A-A’의 단면도이다;
도 4는 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 전지셀들의 모식도이다;
도 5는 도 2의 전지셀의 부분 확대도이다.
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 전지셀의 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 A-A’의 단면도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전지셀(100)은 복수의 유닛셀들이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있는 전극조립체들(130), 전지케이스(120) 및 전극단자들(140, 141)로 구성되어 있다.
전지케이스(120)는 상부 케이스(121) 및 하부 케이스(122)로 이루어져 있고, 전극조립체들(130)을 수용하기 위한 수납부(123)에는 전극조립체들(130)의 외면 형상에 대응하여 지면을 기준으로 적층 방향으로 상측 유닛셀의 평면 크기가 하측 유닛셀의 평면 크기의 70% 크기로 되어 계단 형상의 단차(127)가 형성되어 있다.
전지케이스(120)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스로 이루어져 있고, 전극조립체들(130)이 하부 케이스(122)의 수납부(123)에 내장된 상태에서 외주변이 열융착 되어 있다.
전극단자는 양극리드(140)와 음극리드(141)를 포함하고 있으며, 전지케이스(120) 외부의 일측 방향으로 돌출되어 있다.
양극리드(140)와 음극리드(141)가 형성되어 있는 열융착 부위(도 4: 124)는 전극조립체(130)의 외면 형상에 대응하는 계단 형상의 단차(127)가 형성되어 있는 전지케이스 수납부(123)의 측벽(128)에 대면하도록 절곡되어 있다.
양극리드(140)와 음극리드(141)는 열융착 부위(124)가 전지케이스(120)의 수납부(123)의 측벽(128)에 대면하는 절곡된 형태에 대응하여 절곡되어 있고, 수납부(123)의 측벽(128)의 높이(도 5: H22) 범위 내에서 양극리드(140)와 음극리드(141)가 전지케이스(120)로부터 돌출된 방향으로 재차 절곡된 형상을 갖는다.
도 4에는 도 1 및 도 2의 전지셀들을 비교하기 위한 모식도들이 도시되어 있다.
도 4를 도 1 내지 도 3과 함께 참조하면, 점선으로 도시되어 있는 부분의 열융착 부위가 절곡되어 전지셀들의 높이 차이가 생긴다. 즉, 종래의 전지셀(10)의 열융착 부위(24)로부터 돌출되어 있는 양극단자(40) 및 음극단자(41)의 높이(H1)가 본 발명에 따른 전지셀(100)의 열융착 부위(124)로부터 돌출되어 있는 양극단자(140) 및 음극단자(141)의 높이(H2)보다 커서 높이 차이(H1-H2)에 따른 용량 차이가 생긴다.
도 5에는 도 2의 전지셀의 일부 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 도 2 내지 도 4와 함께 참조하면, 전지케이스(120)의 측벽(128)에 형성되어 있는 만입형 가압부(126)는 양극리드(140)와 음극리드(141)가 전지케이스(120)로부터 돌출되어 있는 방향의 전극조립체 수납부(123)의 측벽(128)에 형성되어 있으며, 전극조립체(130)를 수납부(123) 내부에 정위치 고정하도록, 수납부(123)의 측벽(128) 일부가 전극조립체(130)의 외면을 가압하는 형상으로 만입된 구조로 형성되어 있다.
열융착 부위(124)의 수직 절곡된 폭의 높이(H23)은 수납부 측벽(128)의 폭인 높이(H22)를 기준으로 95% 크기이다.
만입형 가압부(126)의 너비(W21)는 폭이 좁은 유닛셀 수납부(123)의 측벽(128)의 너비(W22)를 기준으로 25% 크기이며, 만입형 가압부(126)의 만입 깊이(H21)는 만입형 가압부(126)의 너비(W21)를 기준으로 40% 크기로 형성되어 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 (21)

  1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,
    복수의 극판들 또는 유닛셀들이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고, 그 중 적어도 둘 이상의 극판들 또는 유닛셀들은 서로 다른 평면 크기에 의해 계단 형상을 이루고 있는 전극조립체;
    상부 케이스 및 하부 케이스로 이루어져 있고, 전극조립체를 수용하기 위한 수납부에는 전극조립체의 외면 형상에 대응하는 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 전지케이스; 및
    상기 전지케이스 외부의 일측 방향으로 각각 돌출되어 있는 양극리드와 음극리드;
    를 포함하고 있으며,
    상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스로 이루어져 있고, 전극조립체가 수납부에 내장된 상태에서 외주변이 열융착 되어 있으며,
    상기 양극리드와 음극리드가 위치하는 열융착 부위는 수납부의 측벽에 대면하도록 수직 절곡되어 있고,
    상기 열융착 부위의 수직 절곡된 폭은 수납부 측벽의 높이를 기준으로 50% 내지 95% 크기이며,
    상기 양극리드와 음극리드는 열융착 부위의 단부에서 수납부의 대향 방향으로 수직 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 평면상으로 직사각형 또는 정사각형인 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유닛셀은 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 상호 결합되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 유닛셀은 양측 외면의 극판들의 극성이 동일한 바이셀 또는 양측 외면의 극판들의 극성이 서로 다른 풀셀인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 3 항에 있어서, 전극조립체는 상기 유닛셀 둘 이상이 분리필름에 의해 권취된 상태로 적층 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 3 항에 있어서, 전극조립체는 상기 유닛셀 둘 이상이 분리막이 개재된 상태로 적층 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀
  7. 제 1 항에 있어서, 서로 다른 평면 크기에 의해 계단 형상을 이루고 있는 상기 둘 이상의 극판들 또는 유닛셀들은 평면상으로 너비와 길이 중의 적어도 하나가 다른 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 둘 이상의 극판들 또는 유닛셀들에서, 상대적으로 작은 극판 또는 유닛셀은 평면상의 폭 또는 길이가 상대적으로 큰 크기의 극판 또는 유닛셀의 30% 내지 90% 크기 범위인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 양극리드와 음극리드 사이에 대응하는 수납부의 측벽 부위에는 만입형 가압부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 만입형 가압부는, 전극조립체를 수납부 내부에 정위치 고정하도록, 수납부의 측벽 일부가 전극조립체의 외면을 가압하는 형상으로 만입된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 만입형 가압부의 너비는 수납부 측벽의 너비를 기준으로 10% 내지 30% 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 만입형 가압부의 만입 깊이는 만입형 가압부의 너비를 기준으로 10% 내지 50% 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 만입형 가압부에 대응하여 전극조립체의 극판들 또는 유닛셀들의 외면에는 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 1 항에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 19 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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