KR101950464B1 - 셀 케이스의 밀봉 신뢰성이 향상된 비정형 구조의 전지셀 - Google Patents

셀 케이스의 밀봉 신뢰성이 향상된 비정형 구조의 전지셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극 및 음극과 분리막을 포함하는 전극조립체, 및 상기 전극조립체를 내장한 상태로 그것의 외주변을 따라 열융착 밀봉된 구조의 셀 케이스를 포함하고 있는 판상형의 전지셀로서, 상기 전극조립체는, 동일한 극성의 전극 판에서, 지면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이한 둘 이상의 전극부들(electrode parts)로 구분되도록 구성되어 있고; 상기 전극부들의 외주변들이 상호 교차하는 부위에는, 상기 외주변들의 교차 각도가 30도 내지 150도인 적어도 하나의 외주 코너(outside corner)가 형성되어 있으며; 상기 외주 코너에서, 전극 판과 분리막은 내향 만입된 형상의 외주 만입부를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

셀 케이스의 밀봉 신뢰성이 향상된 비정형 구조의 전지셀 {Battery Cell of Irregular Structure with Improved Sealing Reliability of Cell Case}
본 발명은 셀 케이스의 밀봉 신뢰성이 향상된 비정형 구조의 전지셀에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 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 전지셀과 파우치형 전지셀에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지셀에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 밀봉되어 있는 이차전지를 칭한다. 전지케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 복합형(스택/폴딩형)의 구조로 이루어져 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.
전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(30)의 경우, 다수의 양극 탭들(40)과 다수의 음극 탭들(50)이 전극리드(60, 70)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(20) 내부 상단은 전극조립체(30)로부터 이격되어 있다.
그러나, 최근 슬림한 타입 또는 다양한 디자인의 추세 변화(trend change)로 인하여 새로운 형태의 전지셀이 요구되고 있다.
또한, 상기와 같은 전지셀들은 동일한 크기 또는 용량의 전극조립체를 포함하는 것으로 구성되어 있으므로, 전지셀이 적용되는 디바이스의 디자인을 고려하여 신규한 구조로 만들기 위해서는, 전지셀의 용량을 줄이거나 더 큰 크기로 디바이스의 디자인을 변경해야 하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 일부 선행기술에서는 서로 크기가 다른 전지셀들을 적층하여 전지팩을 구성하기도 한다. 그러나, 이러한 전지팩은 전지셀들을 적층하는 구조이므로, 적층된 전지셀들 간에는 전기화학적 반응을 공유하지 못하여, 결과적으로 전지팩의 두께가 두꺼워지며 이러한 두께로 인해 전지 용량이 줄어들 수 있다.
또한, 이러한 디자인 변경 과정에서 전기적 연결 방식이 복잡해짐으로 인해 소망하는 조건을 만족하는 전지셀의 제작이 어려워지는 문제점도 있다.
따라서, 전지셀이 적용되는 디바이스의 모양에 따라 적용 가능한 전지셀에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 다양한 디바이스의 형상 및 공간에 장착될 수 있는 구조로 설계하여, 디바이스의 내부 공간의 활용도를 극대화하고, 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 및 음극과 분리막을 포함하는 전극조립체, 및 상기 전극조립체를 내장한 상태로 그것의 외주변을 따라 열융착 밀봉된 구조의 셀 케이스를 포함하고 있는 판상형의 전지셀로서,
상기 전극조립체는, 동일한 극성의 전극 판에서, 지면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이한 둘 이상의 전극부들(electrode parts)로 구분되도록 구성되어 있고;
상기 전극부들의 외주변들이 상호 교차하는 부위에는, 상기 외주변들의 교차 각도가 30도 내지 150도인 적어도 하나의 외주 코너(outside corner)가 형성되어 있으며;
상기 외주 코너에서, 전극과 분리막은 내향 만입된 형상의 외주 만입부를 형성하고 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체가 상이한 형상과 크기의 전극부들로 구성되어 있는 바, 일반적인 장방형 구조에서 벗어난 전혀 새로운 형상, 예를 들어 평면상으로 전극부들의 상이한 크기에서 유래되는 단차나 만입 구조 또는 전극부들의 상이한 형상에서 유래되는 기하학 구조 등의 비정형 구조들로 구성될 수 있으므로, 다양한 디자인의 디바이스의 형태에 적용이 가능하다.
이러한 비정형 구조에 대한 예시적인 구조가 도 2에 도시되어 있으며, 도 2를 참조하여, 본 발명에서 정의한 비정형 구조를 더욱 상세하게 설명한다.
도 2를 참조하면, 전지셀(100)은 전극조립체(110)가 전해액과 함께 셀 케이스(120)에 내장된 상태에서, 셀 케이스(120)의 외주변들(121, 122, 123, 124)이 열융착 밀봉된 구조로 이루어져 있다.
구체적으로, 전극조립체(110)는 지면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이한 두 개의 전극부들(110a, 110b)이 경계(A)를 기준으로 구분되어 있으며, 그에 따라 전극부들(110a, 110b)의 상이한 크기에서 유래되는 단차(130)가 전극조립체(110)에 형성되어 있다. 또한, 셀 케이스(120)는 전극조립체(110)에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 전극조립체(110)의 단부들을 따라 외주변들(121, 122, 123, 124)이 밀봉되어 있으므로, 전지셀(100)은 전극조립체(110) 형상에 대응하여, 기존의 장방형 구조가 아닌 단차(130)를 포함하는 비정형 구조로 이루어져있다.
다만, 도 2와 같은 전지셀(100) 구조에서는 전극부들(110a, 110b)의 외주변들이 상호 교차하는 부위인 외주 코너(C)에서 셀 케이스(120) 역시 이러한 형상에 대응되도록 서로 다른 외주변들(121, 122)이 교차되기 때문에, 상기 외주변들(121, 122)의 교차 부위에 상대적으로 넓은 밀봉 면적이 형성된다.
뿐만 아니라, 이와 같이 외주변들(121, 122)이 교차되면서 밀봉 부위를 공유하는 지점은, 다른 부위 대비 상대적으로 밀봉력이 약하기 때문에 상기 외주 코너(C)와 인접한 셀 케이스(120)의 외주변들(121, 122)에는 다른 외주변들(123, 124) 보다 상대적으로 넓은 열융착 밀봉 면적 또한 요구된다.
따라서, 상기 전지셀(100) 구조는 외주 코너(C)에 외주변들(121, 122)이 불필요하게 차지하는 밀봉 면적 만큼, 디바이스에 대한 공간활용도가 떨어지는 단점이 있다.
또한, 일반적으로 전극 리드(101, 102)가 형성된 외주변(124)을 제외하고, 셀 케이스(120)에서 열융착 밀봉된 외주변들(121, 122, 123) 각각은, 이들을 통한 수분 침투 방지와 전지셀의 면적 감소를 위하여 전극조립체(110)의 측면 방향으로 절곡되어야 하지만, 도 2의 구조에서는 외주 코너(C)와 인접한 셀 케이스(120)의 외주변들(121, 122)이 외주 코너(C)에 대응하여 서로 연결되어 있으므로 전극조립체(110)의 측면 방향으로 절곡 되기 용이하지 않다.
만약, 절곡을 위하여, 이들 외주변(121, 122)이 연결된 부위를 커팅하는 경우에는 외주 코너(C)와 커팅 부위 사이에 셀 케이스(120)의 밀봉 영역이 확보되지 않아, 밀봉 상태가 해제되기 쉬운 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 전지셀은, 전극 판과 분리막이 내향 만입된 형상의 외주 만입부를 포함하며, 이러한 외주 만입부들이 외주 코너에 형성 되어 있으며, 상기 외주 만입부에서 셀 케이스가 추가로 열융착 밀봉되면서 밀봉 신뢰성이 향상된 구조로 이루어져 있다.
여기서 외주 만입부란, 앞서 설명한 바와 같이 전극 판과 분리막에서 내향 만입되어 있는 부위를 의미하고, 전극 판과 분리막이 적층되어 전극조립체를 구성하면 외주 만입부들이 상하 평행하게 위치될 수 있다.
상기 전극조립체는 둘 이상의 전극부들을 포함하는 바 상기 외주 만입부들은 전극부들이 구분되는 위치에 형성되어 있을 수 있으며, 상세하게는 상기 외주 코너와 대응되는 위치에 형성되어 있을 수 있다. 즉, 상하 평행하게 위치된 외주 만입부들은 상기 외주 코너 부위에 위치된다.
이러한 구조에서는 상기 셀 케이스가 외주 만입부에 대응되는 위치에서 외주 만입부의 면적 만큼 추가로 열융착 밀봉될 수 있는 바, 상대적으로 밀봉력이 약한 전극조립체의 외주 코너 부위의 밀봉성을 보강할 수 있는 구조적 장점이 있다.
여기서, 셀 케이스는 외주 만입부를 제외한 전극조립체의 단부들을 따라 나란히 열융착 밀봉되어 있는 밀봉 외주변들; 및
상기 외주 만입부와 대응되는 위치에서 열융착 밀봉되어 있는 밀봉 확장부;를 포함할 수 있다.
따라서, 외주 만입부에서 추가로 열융착되어 있는 밀봉 확장부로 인하여, 외주 만입부와 인접한 밀봉 외주변들이 교차되는 부위에서의 밀봉 면적을 상대적으로 콤팩트하게 설계할 수 있고, 이와 동시에 상기 밀봉 외주변들의 밀봉 면적 역시 콤팩트하게 구성될 수 있으므로, 본 발명의 전지셀은 디바이스에 대한 공간활용도를 극대화할 수 있다.
상기 전지셀은 또한, 밀봉 외주변들이 대응하는 전극조립체의 측면 방향으로 절곡될 수 있으며, 상기 절곡된 밀봉 외주변들 중에서, 외주 만입부에 인접한 밀봉 외주변들은 이들 사이가 밀봉 확장부 방향으로 커팅(cutting)된 상태에서 절곡될 수 있다.
이와 같이, 밀봉 외주변들이 연결된 부위를 커팅하더라도, 외주 만입부에서 추가로 열융착된 밀봉 확장부에 의해 전극조립체의 외주 코너 부위에서 셀 케이스의 밀봉 상태가 공고히 유지될 수 있는 바, 본 발명에 따른 전지셀은 상기와 같은 비정형 구조임에도 불구하고, 셀 케이스의 외주변들을 전극조립체의 측면 방향으로 절곡 시키기 용이하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 외주 만입부는 평면상으로, 곡선을 포함하는 라운드 구조; 곡선과 직선이 연결된 복합 구조; 또는 복수의 직선들이 연결된 다각형 구조;일 수 있다.
여기서, 상기 외주 만입부의 내향 만입된 최대 길이는 외주 만입부에 인접한 밀봉 외주변들의 평균 폭을 기준으로 20% 내지 400%일 수 있다.
상기 최대 길이란, 전극부들의 외주변들이 상호 교차하는 지점으로부터 내향 만입된 거리가 최대인 길이로서, 상기 최대 길이는 밀봉 확장부의 밀봉 면적과 비례한다.
또한, 밀봉 확장부의 면적이 증가되는 만큼, 외주 만입부에 인접한 밀봉 외주변들의 면적 또한 작게 설계될 수 있으므로, 상기 최대 길이는 상기 밀봉 외주변들의 평균 폭을 기준으로 설정될 수 있다.
상기 외주 만입부의 최대 길이가 상기 범위의 최소 값보다 미만인 경우에는 밀봉 확장부의 밀봉 면적이 좁아, 본 발명에서 의도한 효과를 달성할 수 없고, 상기 범위의 최대 값을 초과하는 경우에는 내향 만입에 따른 전극조립체의 체적이 감소가 수반되어 전지셀의 용량이 감소되므로 바람직하지 않다.
한편, 이하에서는 다양한 비정형 형상으로 구성될 수 있는 전극조립체의 구체적인 구조를 비제한적인 예들을 통해 상세하게 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 외주 코너에서 전극부들의 외주변들이 교차되는 각도는 전극조립체의 소망하는 형상에 따라 설계될 수 있으며, 상세하게는 상기 교차 각도가 60도 내지 120도일 수 있다.
상기 전극조립체는 전극부들과 외주 만입부를 각각 포함하는 하나 이상의 양극 판과 하나 이상의 음극 판이 분리막을 사이에 두고, 지면을 기준으로 상향 적층된 구조일 수 있으며, 이러한 구조를 넓은 의미에서 적층형 구조의 전극조립체라 지칭할 수 있다.
이와는 달리, 상기 전극조립체는, 전극부들과 외주 만입부를 각각 포함하는 하나 이상의 양극 판과 하나 이상의 음극 판이 분리막을 사이에 두고 지면을 기준으로 상향 적층되어 있는 구조의 복수의 단위셀들이, 분리필름 상에 배열된 상태로, 분리필름의 일측 단부로부터 타측 단부로 권취되면서 분리필름을 사이에 두고 단위셀들이 적층된 구조일 수도 있으며, 이러한 구조를 넓은 의미에서 적층과 권취가 복합된 복합형 구조의 전극조립체라 지칭할 수 있다.
이와 같이 전극 판들과 분리막들이 조합된 전극조립체는,
지면에 대한 평면 형상이 상대적으로 큰 크기로 이루어진 제 1 전극부; 및
지면에 대한 평면 형상이 제 1 전극부보다 작은 크기로 이루어져 있고, 상기 제 1 전극부와 일체인 상태로 제 1 전극부의 경계로부터 수직 방향으로 연장되어 있는 하나 또는 둘 이상의 제 2 전극부;
를 포함하며,
상기 외주 만입부는 제 1 전극부의 경계와 제 2 전극부의 연장 부위가 수직을 이루는 외주 코너에 형성된 구조일 수 있다.
본 발명에서 제 1 전극부와 제 2 전극부이란, 전극 판들이 적층된 상태에서 가상의 경계를 중심으로 지면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이하도록 구획된 부위들을 의미하며, 이들 전극부들이 물리적으로 분할된 구조는 아니다.
예를 들어, 동일한 극성의 전극 판에서, 지면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이한 둘 이상의 전극부들은 서로에 대해 일체로 연장된 구조다.
따라서, 양극 판에서, 지면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이한 제 1 및 제 2 전극부들로 구획되어 있고, 음극 판에서, 면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이한 제 1 및 제 2 전극부들로 구획되어 있을 때, 상기 양극 판과 음극 판이 적층 되면, 양극 판의 제 1 전극부와 음극 판의 제 1 전극 부가 상하 나란히 위치하면서 전극조립체의 제 1 전극부를 형성하고, 마찬가지로 양극 판과 음극 판의 제 2 전극부들이 상하 나란히 위치하면서 전극조립체의 제 2 전극부를 형성한다.
상기 전극조립체는 또한, 평면상으로 제 1 전극부 또는 제2 전극부 보다 작은 크기로 이루어진 n개(n≥1)의 확장 전극부를 추가로 포함하고,
상기 확장 전극부들 중, 제 1 확장 전극부는 제 1 전극부 또는 제 2 전극부와 일체인 상태로 제 1 전극부 또는 제 2 전극부의 경계로부터 수직 방향으로 연장되어 있으며,
상기 경계와 제 1 확장 전극부가 수직을 이루는 외주 코너에 외주 만입부가 형성된 구조일 수 있다.
여기서, n이 2 이상일 때, 확장 전극부들은 인접한 제 n-1 확장 전극부와 일체인 상태로 제 n-1 확장 전극부의 경계로부터 외주 만입부를 형성하며 수직 방향으로 연장될 수 있다.
상기 전극조립체는 전기적 연결 구조를 다양하게 구성할 수 있도록, 전극 탭이 다양한 위치에 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 전극부 및 제 2 전극부에 하나의 전극 탭이 형성될 수 있다.
상기 전극 탭은 양극 탭과 음극 탭을 의미하며, 양극 탭은 제 1 전극부에 형성되어 있고, 상기 구조에서는 양극 탭이 제 1 전극부에 형성되어 있을 수 있고 음극 탭이 제 2 전극부에 형성될 수 있으며, 이와 반대의 구조 또한 가능하다.
여기서, 상기 전극 탭은 외주 코너에 인접하지 않은 전극부의 외주변에 형성될 수 있다. 이러한 구조에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 외주 만입부와 인접한 셀 케이스의 밀봉 외주변들이 전극조립체 측면 방향으로 절곡될 수 있다.
이와는 달리, 상기 전극 탭은 외주 코너에 인접한 각 전극부의 외주변에 형성될 수 있으며, 이러한 구조에서는 외주 만입부와 인접한 셀 케이스의 밀봉 외주변들이 전극조립체 측면 방향으로 절곡 되지 않을 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 제 1 전극부와 제 2 전극부 각각에 전극 탭들, 즉 양극 탭과 음극 탭이 함께 형성되어 있고, 상기 전극 탭들은 외주 코너와 인접한 각 전극부들의 외주변을 제외한 외주변에 형성될 수 있다.
이러한 구조들은, 전극부 당, 양극 탭과 음극 탭을 함께 포함하는 바, 전극부들 각각 외부 전원에 대한 전기적 연결이 가능하다. 또한, 전류가 제 1 전극부와 제 2 전극부의 전극 탭들을 통해 분산되어 통전될 수 있어 각 탭에서의 저항이 낮아 전류 손실이 적은 장점이 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 제 1 전극부 또는 제 2 전극부에 전극 탭들이 형성되어 있고, 상기 전극 탭들은 외주 코너와 인접한 각 전극부들의 외주변을 제외한 외주변에 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극부 또는 제 2 전극부에 전극 탭들이 형성되어 있고, 상기 전극 탭들은 외주 코너와 인접한 전극부의 외주변에 형성될 수 있다.
상기 전극 탭들에는 전극 리드들이 각각 결합된 상태로, 상기 전극 리드들이 셀 케이스의 열융착 밀봉된 외주부위를 통해 셀 케이스의 외측으로 돌출된 구조로 전지셀의 리드 단자를 구성할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 6개 이상의 외주변들이 하나 이상의 단차를 이루도록 연결된 구조의 비정형 전지셀이며, 상기 외주변들은 셀 케이스에서 열융착 밀봉되어 있는 밀봉 외주변들이다.
상기 셀 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스일 수 있다.
상기 라미네이트 시트는, 금속 차단층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 수지 실란트층이 부가되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 수지 외곽층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 수지 외곽층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 사용될 수 있다.
상기 금속 차단층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 셀 케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 수지 실란트층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 금속 차단층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 바람직하게는 상기 금속층과 수지 실란트층 사이에 접착층을 추가로 포함하여 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 접착층의 소재로는, 예를 들어, 우레탄(urethane)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 열가소성 일래스토머(elastomer)를 함유하는 조성물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 셀 케이스는 라미네이트 시트의 수지층들이 서로 대면하도록 밀착된 상태에서 이들이 열에 의해 용융 접합되는 구조로 전극조립체와 전해액을 외부로부터 밀봉할 수 있으며, 상기 셀 케이스의 외주변들이란, 상기 구조로 접합되어 있는 셀 케이스의 외주 부위를 의미한다.
상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한 사기 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 전지팩의 전력이 필요한 전자기기라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 상대적으로 전지팩에 대한 장착공간이 협소한 휴대용 전자기기들일 수 있으며, 이러한 휴대용 전자기기들은 예를 들어, 휴대 전화, 스마트 폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북, 스마트 시계, 스마트 안경, 스마트 의류, 또는 스마트 밴드일 수 있으나, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체가 상이한 형상과 크기의 전극부들로 구성되어 있는 바, 일반적인 장방형 구조에서 벗어난 전혀 새로운 형상, 예를 들어 평면상으로 전극부들의 상이한 크기에서 유래되는 단차나 만입 구조 또는 전극부들의 상이한 형상에서 유래되는 기하학 구조 등의 비정형 구조들로 구성될 수 있으므로, 다양한 디자인의 디바이스의 형태에 적용이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀은, 셀 케이스가 외주 만입부에 대응되는 위치에서 외주 만입부의 면적 만큼 추가로 열융착 밀봉되어 있는 바, 상대적으로 밀봉력이 약한 전극조립체의 외주 코너 부위의 밀봉성이 보강된 구조로 이루어져 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지셀의 모식도이다;
도 2는 종래 기술에 따른 또 다른 전지셀의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 모식도이다;
도 4는 도 3의 전지셀을 구성하는 전극조립체의 모식도이다;
도 5는 도 3의 전지셀의 평면 모식도이다;
도 6은 도 5에 도시된 전지셀의 일부분을 확대한 모식도이다;
도 7은 도 6의 밀봉 외주변들이 커팅부를 중심으로 절곡되는 일련의 과정을 도시한 모식도이다;
도 8는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 외주 만입부들의 구조가 모식도이다;
도 9은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 12은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 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 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 전지셀을 구성하는 전극조립체가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 5에는 도 3의 전지셀의 평면도가 도시되어 있다. 또한, 도 6에는 도 5의 일부를 확대한 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 함께 참조하면, 전지셀(200)은 전극조립체(210)가 전해액과 함께 셀 케이스(220)에 내장된 상태에서, 셀 케이스(220)의 외주변들(222a, 222b, 224, 226, 228)이 열융착 밀봉된 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(210)는, 복수의 양극 판들과 음극 판들을 포함하는 전극 판들(214)이 분리막(도시하지 않음)을 사이에 두고 상향 적층된 구조로 이루어져 있다.
여기서, 분리막과 전극 판들(214) 각각, 경계(A)를 따라서, 지면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이한 두 개의 전극부들(214a, 214b)로 구분될 수 있고, 전극부들(214a, 214b)의 외주변들(211a, 211b)이 상호 교차하는 부위에는 각각의 내향으로 만입된 형상의 외주 만입부(212)를 포함한다.
따라서, 전극 판들(214)과 분리막들이 적층된 전극조립체(210)에는, 각각의 외주 만입부(212)들이 상하 평행하게 위치하면서 형성된 만입 공간이 형성되고, 이러한 공간 상에서 셀 케이스(220)가 추가로 열융착 밀봉될 수 있다.
이와 같이 두 개의 전극부들(214a, 214b)을 포함하는 전극 판들(214)과 분리막들이 적층된 전극조립체(210)는 지면에 대한 평면 형상이 상대적으로 큰 크기로 이루어진 제 1 전극부(250) 및 지면에 대한 평면 형상이 제 1 전극부(250)보다 작은 크기로 이루어져 있고, 제 1 전극부(250)와 일체인 상태로 제 1 전극부(250)의 외주변(251a)으로부터 연장된 가상의 경계(A)로부터 수직 방향으로 연장되어 있는 제 2 전극부(260)를 포함한다.
전극조립체에서, 제 1 전극부(250)와 제 2 전극부(260)란, 전극 판들(214)이 적층된 상태에서 가상의 경계(A)를 중심으로 지면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이하도록 구획된 부위들을 의미하며, 이들 전극부들(250, 260)이 물리적으로 분할된 구조나 이들이 별개로 형성된 구조는 아니다.
또한, 양극 판과 음극 판 각각에서, 지면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이한 제 1 및 제 2 전극부들(214a, 214b)로 구획되어 있을 때, 양극 판과 음극 판이 적층 되면 양극 판과 음극 판의 제 1 전극부들(214a)이 상하 나란히 위치하면서 전극조립체(210)의 제 1 전극부(250)를 형성하고, 마찬가지로 양극 판과 음극 판의 제 2 전극부들(214b)이 상하 나란히 위치하면서 전극조립체(210)의 제 2 전극부(214b)를 형성하므로, 실질적으로 전극 판(214)의 전극부들(214a, 214b)와 전극조립체(210)의 전극부(250, 260)는 동일한 개념이다.
전극조립체(210)는 제 1 전극부(250)와 제 2 전극부(260)의 외주변들(251a, 251b)이 상호 교차되는 부위에, 외주변들(251a, 251b)의 교차 각도가 대략 90도인 외주 코너(230)를 포함하며, 외주 만입부(212)들은 외주 코너(230)와 일치하는 위치에 형성되어 있다.
외주 만입부(212)의 내향 만입된 최대 길이(L)는 외주 만입부(212)에 인접한 밀봉 외주변들(212a, 212b) 폭의 평균에 대해 대략 100%의 길이로 만입되어 있다.
여기서, 최대 길이(L)란, 전극부들(250, 260)의 외주변들(251a, 251b)이 상호 교차하는 지점으로부터 내향 만입된 거리가 최대인 길이로서, 최대 길이(L)는 밀봉 확장부(212)의 밀봉 면적과 비례한다.
셀 케이스(220)는 외주 만입부(212)를 제외한 전극조립체(210)의 외주변들을 따라 나란히 열융착 밀봉되어 있는 밀봉 외주변들(222a, 222b, 224, 226, 228) 및 외주 만입부(212)와 대응되는 위치에서 열융착 밀봉되어 있는 밀봉 확장부(270)를 포함한다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀(200)은, 셀 케이스(220)가 외주 만입부(212)에 대응되는 위치에서 외주 만입부(212)의 면적 만큼, 추가로 열융착 밀봉된 밀봉 확장부(270)를 포함하는 바, 상대적으로 밀봉력이 약한 전극조립체(210)의 외주 코너 부위의 밀봉성이 보강된 구조로 이루어져 있다.
특히, 전지셀(200)은 외주 만입부(212)에서 추가로 열융착되어 있는 밀봉 확장부(270)로 인하여, 외주 만입부(212)와 인접한 밀봉 외주변들(222a, 222b)이 교차되는 부위에서의 밀봉 면적이 상대적으로 콤팩트한 장점과 함께, 밀봉 외주변들(222a, 222b)의 밀봉 면적을 최소화하여 디바이스에 대한 공간활용도가 높은 장점이 있다.
셀 케이스(220)는 또한, 전극 리드(207, 209)가 돌출된 밀봉 외주변(226)을 제외한 밀봉 외주변들(224, 228)이 기준선(Z, Z')을 기준으로 전극조립체(210)의 측면 방향으로 절곡 된다.
외주 만입부(212)에 인접한 밀봉 외주변들(222a, 222b)은 커팅 라인(CL)을 따라, 밀봉 확장부(212) 방향으로 커팅(cutting)된 상태에서 커팅부(R)를 기준으로 분할되며, 이와 같이 분할된 밀봉 외주변들(222a, 222b) 각각은, 도 7에서와 같이, 기준선(X, Y)을 기준으로 전극조립체(210) 측면 방향으로 절곡 된다.
이러한 구조에서는 밀봉 확장부(280)에 의해, 외주 만입부(212)에서의 밀봉성이 보강된 상태이므로, 밀봉 외주변들(222a, 222b)이 연결된 부위를 커팅하더라도, 외주 만입부(212)에서 셀 케이스(220)의 밀봉 상태가 공고히 유지될 수 있다.
전극조립체의 양극 탭(227)과 음극 탭(229)은 제 1 전극부(250)에서, 외주 코너(230)를 형성하는 외주변(251a)과 수직으로 연장되어 있는 외주변 상에 형성되어 있고, 양극 탭(227)과 음극 탭(229) 각각에는 전극 리드들(207, 209)이 결합되어 있으며, 전극 리드들(207, 209)은 셀 케이스(220)의 밀봉 외주변(226)을 통해 셀 케이스(220) 외측으로 돌출되어 있다.
외주 만입부는 도 3 내지 도 7에서와 같이, 평면상으로 곡선만으로 이루어진 라운드 구조도 가능할 뿐만 아니라, 도 8의 (a)에서와 같이, 복수의 직선들이 연결된 다각형 구조, 또는 (b)에 도시된 곡선과 직선이 연결된 복합 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 13에는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따라 더욱 다양한 비정형 구조로 구성된 전극조립체들의 모식도가 도시되어 있다.
먼저, 도 9을 참조하면, 전극조립체(300)는 평면 형상이 상대적으로 큰 크기로 이루어진 제 1 전극부(350) 및 지면에 대한 평면 형상이 제 1 전극부(350)보다 작은 크기로 이루어져 있고, 제 1 전극부(350)와 일체인 상태로 제 1 전극부(350)의 외주변(301)으로부터 연장된 가상의 경계(I)로부터 수직 방향으로 연장되어 있는 제 2 전극부(360)를 포함한다.
여기서, 제 1 전극부(350)와 제 2 전극부(360)의 외주변들(301, 302)이 상호 교차되는 부위에, 외주변들(301, 302)의 교차 각도(θ)가 대략 60도인 외주 코너(330)를 포함하며, 외주 만입부(312)들은 외주 코너(330)와 일치하는 위치에 형성되어 있다.
이러한 전극조립체(300) 구조는 제 2 전극부(360)가 제 1 전극부(350)에 대해 사선을 이루는 형태로 구성되어 있으므로, 곡선 또는 라운드 구조를 포함하는 디바이스에 적용되기 용이하다.
도 10에는 복수의 확장 전극부들이 포함된 전극조립체가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 전극조립체는 전극조립체(400)는 평면 형상이 상대적으로 큰 크기로 이루어진 제 1 전극부(450), 제 2 전극부(460) 및 제 2 전극부(460) 보다 작은 크기로 이루어진 제 1 확장 전극부(470)와 제 2 확장 전극부(480)를 포함한다.
전극조립체(400)의 기본적인 구조는 도 2 내지 도 6과 유사하나, 제 1 확장 전극부(470)는 제 2 전극부(460)와 일체인 상태로 제 2 전극부(460)의 경계(I')로부터 수직 방향으로 연장되어 있으며, 경계(I')와 제 1 확장 전극부(470)가 수직을 이루는 외주 코너에 외주 만입부(420)가 형성되어있다. 또한, 제 2 확장 전극부(480)는 제 1 확장 전극부(470)와 일체인 상태로 제 1 확장 전극부(470)의 경계(I'')로부터 외주 만입부(430)를 형성하며 수직 방향으로 연장되어 있다.
즉, 전극조립체(400)는 제 1 전극부(450)로부터 제 2 확장 전극부(480) 까지 점진적으로 크기가 감소되는 구조로 이루어져 있으며, 평면상으로 이들의 상이한 크기에서 유래되는 복수의 단차들(490, 492, 494)을 포함한다.
도 11에는 또 다른 형태로 제 1 전극부 및 제 2 전극부들과 확장 전극부들이 조합된 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
구체적으로, 전극조립체(500)는 평면 형상이 상대적으로 큰 크기로 이루어진 제 1 전극부(550)와 제 1 전극부(550) 보다 작은 크기로 이루어져 있고, 제 1 전극부(550)의 서로 다른 외주변들(551, 552)으로부터 연장된 가상의 경계들(G, G')로부터 수직 방향으로 연장되어 있는 한 쌍의 제 2 전극부들(560a, 560b)을 포함한다.
여기서, 제 2 전극부(560a)는 제 1 전극부(550)와 일체인 상태로 제 1 전극부(550)의 경계(G)로부터 수직 방향으로 연장되어 있고, 경계(G)와 제 2 전극부(560a)가 수직을 이루는 외주 코너에 외주 만입부(512)가 형성되어 있다.
나머지 제 2 전극부(560b)는 제 1 전극부(550)와 일체인 상태로 제 1 전극부(550)의 경계(G')로부터 수직 방향으로 연장되어 있고, 경계(G')와 제 2 전극부(560b)가 수직을 이루는 외주 코너에 외주 만입부(513)가 형성되어 있다. 확장 전극부(570)는 제 1 전극부(550)와 대면하도록, 제 2 전극부(560b)의 경계(G'')로부터 수직 방향으로 연장되어 있으며, 경계(G'')와 확장 전극부(570)가 수직을 이루는 외주 코너에 외주 만입부(514)가 형성되어 있다.
이러한 구조는 전극조립체(500)의 평면을 기준으로, 확장 전극부(570)와 제 1 전극부(550) 사이에 만입된 형상의 공간(590)이 형성되어 있는 점에서, 앞선 실시예들과 차이가 있다.
또한, 전극조립체(500)의 양극 탭(501)과 음극 탭(502) 각각이 서로 다른 전극부인 제 1 전극부(550)와 제 2 전극부(560a)에 형성되어 있으며, 이에 기반하여 전극조립체(500)의 전기 연결 구조의 방향성을 다양하게 구성할 수 있다.
도 12 및 도 13에는 전극 탭들의 형성 위치가 서로 상이한 전극조립체들이 도시되어 있다.
먼저 도 12을 참조하면, 전극조립체(600)의 전반적인 구조는 도 2 내지 도 6의 전극조립체와 동일하지만, 제 1 전극부(650)에 양극 탭(601a)과 음극 탭(602a)이 함께 형성되어 있고, 제 2 전극부(660)에 또 다른 양극 탭(601b)과 음극 탭(602b)이 함께 형성되어 있다.
또한, 전극 탭들(601a, 601b, 602a, 602b)은 외주 코너와 인접한 각 전극부들(650, 660)의 외주변들(651, 652)을 제외한 외주변들(651a, 652a)에 형성되어 있다.
이러한 구조는 전극부 당, 양극 탭과 음극 탭을 함께 포함하는 바, 전극부들(650, 660) 각각 외부에 대한 전기적 연결이 가능하므로, 전극조립체(600)의 전기 연결 구조를 더욱 다양하게 구성할 수 있다. 또한, 전류가 제 1 전극부(650)와 제 2 전극부(660)의 전극 탭들(601a, 601b, 602a, 602b)을 통해 분산되어 통전될 수 있어 각 탭(601a, 601b, 602a, 602b)에서의 저항이 낮아 전류 손실이 적은 장점이 있다.
반면에, 도 13의 전극조립체(700)는 제 1 전극부(750)에만 양극 탭(701)과 음극 탭(702)이 형성되어 있으며, 특히, 이들 탭(701, 702)은 외주 코너에 인접한 제 1 전극부(750)의 외주변(751)에 형성있다.
이러한 구조는, 양극 탭(701)과 음극 탭(702)이 전극부들의 상이한 크기에서 유래되는 단차(790) 부위에 형성되어 있고, 상기 전극조립체(700)로 구성된 전지셀은 단차(790)가 형성하는 공간에 PCB등의 전기 연결 부재가 설치될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (24)

  1. 양극 및 음극과 분리막을 포함하는 전극조립체, 및 상기 전극조립체를 내장한 상태로 그것의 외주변을 따라 열융착 밀봉된 구조의 셀 케이스를 포함하고 있는 판상형의 전지셀로서,
    상기 전극조립체는, 동일한 극성의 전극 판에서, 지면에 대한 평면 형상 및 크기가 서로 상이한 둘 이상의 전극부들(electrode parts)로 구분되도록 구성되어 있고;
    상기 전극부들의 외주변들이 상호 교차하는 부위에는, 상기 외주변들의 교차 각도가 30도 내지 150도인 적어도 하나의 외주 코너(outside corner)가 형성되어 있으며;
    상기 외주 코너에서, 전극 판과 분리막은 내향 만입된 형상의 외주 만입부를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 케이스는 외주 만입부에 대응되는 위치에서 외주 만입부의 면적만큼 추가로 열융착 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 셀 케이스는,
    외주 만입부를 제외한 전극조립체의 단부들을 따라 나란히 열융착 밀봉되어 있는 밀봉 외주변들; 및
    상기 외주 만입부와 대응되는 위치에서 열융착 밀봉되어 있는 밀봉 확장부;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전지셀은 밀봉 외주변들이 대응하는 전극조립체의 측면 방향으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 절곡된 밀봉 외주변들 중에서, 외주 만입부에 인접한 밀봉 외주변들은 이들 사이가 밀봉 확장부 방향으로 커팅(cutting)된 상태에서 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 외주 만입부의 내향 만입된 최대 길이는 외주 만입부에 인접한 밀봉 외주변들의 평균 폭을 기준으로 20% 내지 400%인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 외주 만입부는 평면상으로,
    곡선을 포함하는 라운드 구조;
    곡선과 직선이 연결된 복합 구조; 또는
    복수의 직선들이 연결된 다각형 구조;
    인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 외주 코너에서 전극부들의 외주변들이 교차되는 각도는 60도 내지 120도인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는,
    지면에 대한 평면 형상이 상대적으로 큰 크기로 이루어진 제 1 전극부; 및
    지면에 대한 평면 형상이 제 1 전극부보다 작은 크기로 이루어져 있고, 상기 제 1 전극부와 일체인 상태로 제 1 전극부의 경계로부터 수직 방향으로 연장되어 있는 하나 또는 둘 이상의 제 2 전극부;
    를 포함하며,
    상기 외주 만입부는 제 1 전극부의 경계와 제 2 전극부의 연장 부위가 수직을 이루는 외주 코너에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 전극부 및 제 2 전극부에 하나의 전극 탭이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전극 탭은 외주 코너에 인접하지 않은 전극부의 외주변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 전극 탭은 외주 코너에 인접한 각 전극부의 외주변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 전극부와 제 2 전극부 각각에 전극 탭들이 형성되어 있고, 상기 전극 탭들은 외주 코너와 인접한 각 전극부들의 외주변을 제외한 외주변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 전극부 또는 제 2 전극부에 전극 탭들이 형성되어 있고, 상기 전극 탭들은 외주 코너와 인접한 전극부의 외주변을 제외한 외주변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 전극부 또는 제 2 전극부에 전극 탭들이 형성되어 있고, 상기 전극 탭들은 외주 코너와 인접한 전극부의 외주변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 전극조립체는 평면상으로 제 1 전극부 또는 제 2 전극부 보다 작은 크기로 이루어진 n개(n≥1)의 확장 전극부를 추가로 포함하고,
    상기 확장 전극부들 중, 제 1 확장 전극부는 제 1 전극부 또는 제 2 전극부와 일체인 상태로 제 1 전극부 또는 제 2 전극부의 경계로부터 수직 방향으로 연장되어 있으며,
    상기 경계와 제 1 확장 전극부가 수직을 이루는 외주 코너에 외주 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 16 항에 있어서, n이 2 이상일 때, 확장 전극부들은 인접한 제 n-1 확장 전극부와 일체인 상태로 제 n-1 확장 전극부의 경계로부터 외주 만입부를 형성하며 수직 방향으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는,
    전극부들과 외주 만입부를 각각 포함하는 하나 이상의 양극 판과 하나 이상의 음극 판이 분리막을 사이에 두고, 지면을 기준으로 상향 적층되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는,
    전극부들과 외주 만입부를 각각 포함하는 하나 이상의 양극 판과 하나 이상의 음극 판이 분리막을 사이에 두고 지면을 기준으로 상향 적층되어 있는 구조의 복수의 단위셀들이, 분리필름 상에 배열된 상태로, 분리필름의 일측 단부로부터 타측 단부로 권취되면서 분리필름을 사이에 두고 단위셀들이 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 전극조립체의 전극 탭들에 전극 리드들이 각각 결합된 상태로, 상기 전극 리드들이 셀 케이스의 열융착 밀봉된 외주부위를 통해 셀 케이스의 외측으로 돌출된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  21. 제 1 항에 있어서, 평면상으로, 상기 전지셀은 6개 이상의 외주변들이 하나 이상의 단차를 이루도록 연결된 구조의 비정형 전지셀이고,
    상기 외주변들은 셀 케이스에서 열융착 밀봉되어 있는 외주 부위들인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 하나의 항에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩.
  24. 제 23 항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
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