KR101752374B1 - 전지 셀, 이를 포함하는 전지 팩 및 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 적어도 일 측에 배치되는 전극 탭; 상기 전극 탭과 연결되는 전극 리드; 및 상기 전극 조립체를 내부에 수납하는 전지 케이스를 포함하고, 상기 전극 리드는, 상기 전지 케이스의 적어도 일 측에 형성되는 리드 연결부 및 상기 리드 연결부와 탈·부착 가능한 리드 접합부를 포함하는 전지 셀 및 이를 단위 전지로서 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.

Description

전지 셀, 이를 포함하는 전지 팩 및 디바이스{Battery Cell, Batter Pack and Device comprising the same}
본 발명은 전지 셀, 이를 포함하는 전지 팩 및 디바이스에 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.
이러한, 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지로 구분될 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 휴대용 전자 기기 또는 고출력의 하이브리드 자동차에 주로 사용되고 있다.
일반적으로 리튬 이차 전지는, 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다. 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
종래의 파우치형 이차 전지는, 전극 조립체, 상기 전극 조립체로부터 연장되어 있는 전극 탭들, 상기 전극 탭들에 용접되어 있는 전극 리드를 포함하고, 전지 케이스의 내부에 상기 전극 조립체와 전해질을 밀봉하는 구조로 형성되는 것이 일반적이다.
이때, 상기 전극 탭은 전극 조립체의 음극판 및/또는 양극판으로부터 연장되고, 전극 리드는 음극판 및/또는 양극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들과 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되며, 파우치 외장재의 외부로 일부 노출된 형태로 제조된다.
그러나, 이러한 방식으로 제조된 파우치형 이차 전지는 전극 리드의 위치가 고정되고 방향을 조절할 수 없기 때문에 전지 셀을 조립하여 전지 모듈 및/또는 팩을 구성하는 데 있어서 유연성이 떨어지기 때문에 사용자의 선택성이 제한되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전지 케이스의 적어도 일 측에 리드 연결부를 형성하고 상기 리드 연결부와 탈·부착 가능한 리드 접합부를 전지 셀의 구성으로 포함시켜, 사용자의 편의를 증진시킨 전지 셀을 제공하고자 한다. 또한, 상기 리드 접합부를 회전 가능하도록 제조하여, 본 발명의 전지 셀을 단위 전지로써 전지 팩을 구성하는 경우, 단위 전지의 연결작업 단순화 및 연결 시간 단축을 실현시킬 수 있는 전지 셀을 제공할 수 있다.
일 측면에서, 본 발명은, 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 적어도 일 측에 배치되는 전극 탭; 상기 전극 탭과 연결되는 전극 리드; 및 상기 전극 조립체를 내부에 수납하는 전지 케이스를 포함하고, 상기 전극 리드는, 상기 전지 케이스의 적어도 일 측에 형성되는 리드 연결부 및 상기 리드 연결부와 탈·부착 가능한 리드 접합부를 포함하는 것인 전지 셀을 제공한다.
이때, 상기 리드 접합부는 10° 내지 360° 범위로 회전 가능한 것이다.
또한, 상기 리드 연결부는 볼록 형상 또는 오목 형상일 수 있으며, 상기 리드 접합부는 상기 리드 연결부와 탈·부착 가능하도록 오목 형상 또는 볼록 형상을 포함하는 것일 수 있다.
한편, 상기 리드 연결부는 열 융착, 초음파 용접, 화학적 접착 및 레이저 용접으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명에서, 상기 리드 연결부는 양극 리드 연결부 및 음극 리드 연결부 중 적어도 하나 이상일 수 있고, 상기 리드 접합부는 양극 리드 접합부 및 음극 리드 접합부 중 적어도 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 양극 리드 연결부 및/또는 상기 리드 접합부는 알루미늄, 니켈, 구리, 크롬 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 형성될 수 있으며, 상기 음극 리드 연결부 및/또는 상기 음극 리드 접합부는 구리, 니켈, 알루미늄, 크롬 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 형성될 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 전지 셀을 단위전지로서 포함하고, 상기 전지 셀은 리튬 이차 전지인 전지 팩을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 전지 셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공한다.
본 발명의 전지 셀은, 전지 케이스의 적어도 일면에 리드 연결부를 형성시키고, 상기 리드 연결부와 탈·부착 가능한 리드 접합부를 포함함으로써, 사용자의 편의에 따라 원하는 형태로 전지 셀을 구성할 수 있어 매우 유용하다.
또한, 회전 가능한 리드 접합부를 포함하기 때문에, 이들의 방향 조절이 용이하므로, 본 발명에 따른 전지 셀을 단위 전지로 이용하여 전지 팩을 구성하는 경우, 단위 전지의 연결 작업 단순화 및 연결 시간 단축을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지 셀을 일 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전지 셀의 일부에 대한 수직 단면도를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 발명자들은 전지 셀을 단위 전지로 하여 전지 팩을 구성할 때, 사용자의 편의를 증진시키고 단위 전지의 연결 작업 단순화를 위한 구조를 개발하기 위해 연구를 거듭한 결과, 전극 리드를 리드 연결부 및 리드 접합부를 포함하는 구성으로 형성하는 경우, 상기한 바와 같은 목적을 달성하여 생산 시간 단축을 꾀할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
이해를 돕기 위하여, 도 1에는 본 발명에 따른 전지 셀을 예시적으로 도시하였다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전지 셀은, 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 적어도 일 측에 배치되는 전극 탭; 상기 전극 탭과 연결되는 전극 리드; 및 상기 전극 조립체를 내부에 수납하는 전지 케이스(20)를 포함하고, 상기 전극 리드는, 상기 전지 케이스의 적어도 일 측에 형성되는 리드 연결부(40, 50) 및 상기 리드 연결부와 탈·부착 가능한 리드 접합부(60, 70)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전극 조립체는 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 것으로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 양극, 분리막 및 음극의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 양극, 분리막 및 음극들을 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 양극은, 예를 들면, 알루미늄, 니켈, 구리, 크롬 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 양극 전류 집전체의 일면 또는 양면에 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬인산철, 또는 이들 중 1종 이상이 포함된 화합물 및 혼합물 등과 같은 양극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 음극은 구리, 니켈, 알루미늄, 크롬 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금에 의해 제조된 음극 전류 집전체의 일면 또는 양면에 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유 코크, 활성화 카본, 그래파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들의 합금 등과 같은 음극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다.
이때, 하나의 전지 셀을 구성하는 양극과 음극에서 전극 활물질이 코팅되는 면적은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 또한, 상기 전극 활물질들은 전류 집전체의 양면에 코팅될 수도 있고, 무지부 등의 형성을 위해 전류 집전체의 일면에만 전극 활물질을 코팅할 수도 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 분리막은, 예를 들면, 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
다음으로, 상기 전극 조립체는 상기 전극 조립체의 일 측에 배치되고 음극 및/또는 양극으로부터 연장된 적어도 하나의 전극 탭(10)을 구비할 수 있다. 이때, 상기 전극 탭(10)은 음극 탭 및/또는 양극 탭을 의미하며, 동일한 극성의 전극끼리 전기적으로 연결된다. 본 발명에 있어서, 상기 전극 탭의 면적이나 배열 위치 등은 특별히 한정되지 않으며, 필요한 경우 다수의 전극 탭을 구비할 수도 있다.
한편, 상기 전극 리드는 양극 탭과 전기적으로 연결되는 양극 리드 및/또는 음극 탭과 전기적으로 연결되는 음극 리드를 포함한다. 또한, 상기 양극 리드 및 음극 리드는 양극 탭 및 음극 탭의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연결될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연결될 수도 있는 것으로서, 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 양극 리드 및 음극 리드는 서로 그 재질이 다를 수 있다.
특히, 본 발명에서, 상기 전극 리드는, 리드 연결부(40, 50) 및 리드 접합부(60, 70)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 전극 조립체가 내부에 수납되는 전지 케이스(20)의 적어도 일 측에 형성된 상기 리드 연결부(40, 50)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전극 조립체의 전극 탭(10)과 연결되어 있으며, 상기 리드 접합부(60, 70)와 탈·부착이 가능하도록 형성된다.
따라서, 상기 리드 연결부(40, 50)는 양극 리드 연결부(40) 및 음극 리드 연결부(50) 중 적어도 하나 이상일 수 있고, 상기 리드 접합부(60, 70)는 양극 리드 접합부(60) 및 음극 리드 접합부(70) 중 적어도 하나 이상일 수 있다.
이때, 상기 양극 리드 연결부(40) 및/또는 상기 양극 리드 접합부(60)는 양극 전류 집전체와 동일한 알루미늄, 니켈, 구리, 크롬 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 또한, 상기 음극 리드 연결부 및/또는 상기 음극 리드 접합부는 음극 전류 집전체와 동일한 구리, 니켈, 알루미늄, 크롬 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 형성된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 상기 양극 리드 연결부/접합부 및 음극 리드 연결부/접합부는 서로 그 재질이 다를 수 있다.
특히, 본 발명에서 상기 리드 접합부(60, 70)는 10° 내지 360° 범위로 회전 가능한 것을 특징으로 한다. 이와 같이 리드 접합부(60, 70)가 회전이 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 전지 셀을 단위 전지로 전지 모듈이나 전지 팩을 형성하는 경우, 리드 위치에 따른 모듈이나 전지 팩 구성에 제한이 없어 매우 유리하다.
한편, 상기 리드 연결부(40, 50)는 볼록 형상 또는 오목 형상일 수 있고, 상기 리드 접합부는 오목 형상 또는 볼록 형상을 포함하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 리드 연결부(40, 50)가 전지 케이스 보다 돌출된 볼록 형상으로 형성되는 경우, 여기에 탈·부착 가능한 리드 접합부(60, 70)는 오목 형상을 포함하도록 형성되어야 하고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 리드 연결부(40, 50)가 전지 케이스 안쪽으로 오목한 형상으로 형성되는 경우, 여기에 탈·부착 가능한 리드 접합부(60, 70)는 볼록 형상을 포함하도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 리드 연결부(40, 50) 및 리드 접합부(60, 70)의 오목 형상 볼록 형상은 수평 단면도에서 원형으로 표현될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우 360° 회전이 가능하기 때문에 방향 조절이 매우 자유로우므로 본 발명의 전지 셀을 단위 전지로 하여 전지 팩을 구성하는 경우, 단위 전지의 연결 작업 단순화 및 연결 시간 단축을 도모할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 리드 연결부(40, 50)는 본 발명의 전극 조립체를 내부에 수납하는 전지 케이스(20)의 적어도 일 측에 형성될 수 있으며, 사용자의 선택 편의를 증진시키기 위하여 전지 케이스(20)에 다수 개로 형성될 수도 있다.
다음으로, 상기 리드 연결부(40, 50)가 전극 탭과 연결되도록 하여 전지 케이스의 적어도 일 측에 형성하는 방법은 열 융착, 초음파 용접, 화학적 접착 및 레이저 용접으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 전지 케이스(20)는, 파우치형 케이스일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 전극 조립체의 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수도 있고, 전지 케이스 자체를 변형하여 외장재의 형상을 형성하는 방식으로 형성될 수도 있다. 이때, 전지 케이스의 형상 및 크기가 전극 조립체의 형상 및 크기가 완전히 일치해야 하는 것은 아니며, 전극 조립체의 밀림현상으로 인한 내부 단락을 방지할 수 있는 정도의 형상 및 크기이면 무방하다. 한편, 본 발명의 전지 케이스의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 형상 및 크기의 전지 케이스가 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 전지 셀은 바람직하게는 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 본 발명의 전지 셀은 단독으로 사용될 수도 있고, 전지 셀을 적어도 하나 이상 포함하는 전지 팩의 형태로 사용될 수도 있다. 이러한 본 발명의 전지 셀 및/또는 전지 팩은 다양한 디바이스, 예를 들면, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등에 유용하게 사용될 수 있다. 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 본 명에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10 : 전극 탭
20 : 전지 케이스
40, 50 : 리드 연결부
60, 70 : 리드 접합부

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체의 적어도 일 측에 배치되는 전극 탭;
    상기 전극 탭과 연결되는 전극 리드; 및
    상기 전극 조립체를 내부에 수납하는 전지 케이스를 포함하고,
    상기 전극 리드는, 상기 전지 케이스의 적어도 일 측에 형성되며 상기 전극 탭과 연결되어 있는 리드 연결부 및 상기 리드 연결부와 탈·부착 가능한 리드 접합부를 포함하고,
    상기 리드 연결부는 상기 전극 탭과 연결되도록 열 융착, 초음파 용접, 화학적 접착 및 레이저 용접으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 방법으로 형성되는 것이며,
    상기 리드 접합부는 회전 가능한 것이어서 상기 전극 리드의 위치 방향을 상기 전지 케이스 외부에서 조정할 수 있는 것인 전지 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리드 접합부는 10° 내지 360° 범위로 회전 가능한 것인 전지 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리드 연결부는 볼록 형상 또는 오목 형상인 전지 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리드 접합부는 오목 형상 또는 볼록 형상을 포함하는 것인 전지 셀.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리드 연결부는 양극 리드 연결부 및 음극 리드 연결부 중 적어도 하나 이상인 전지 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리드 접합부는 양극 리드 접합부 및 음극 리드 접합부 중 적어도 하나 이상인 전지 셀.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 양극 리드 연결부는 알루미늄, 니켈, 구리, 크롬 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 형성된 것인 전지 셀.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 음극 리드 연결부는 구리, 니켈, 알루미늄, 크롬 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 형성된 것인 전지 셀.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 양극 리드 접합부는 알루미늄, 니켈, 구리, 크롬 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 형성된 것인 전지 셀.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 음극 리드 접합부는 구리, 니켈, 알루미늄, 크롬 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금으로 형성된 것인 전지 셀.
  12. 제1항 내지 제4항 또는 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 전지 셀을 단위전지로서 포함하는 전지 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전지 셀은 리튬 이차 전지인 전지 팩.
  14. 제1항 내지 제4항 또는 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 전지 셀을 하나 이상 포함하는 디바이스.

KR1020140109194A 2014-08-21 2014-08-21 전지 셀, 이를 포함하는 전지 팩 및 디바이스 KR101752374B1 (ko)

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