KR102061490B1 - 배터리 셀용 딥 포맷 파우치 - Google Patents
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Abstract
파우치 셀은 일반적으로 박스부, 및 박스부로부터 분리되어 형성된 덮개부를 포함하는 금속 적층막으로 형성된 직사각형 셀 하우징을 포함한다. 전극 및 전해질을 포함하는 활물질(active material)은 박스부 내에 배치되고 덮개부는 박스부에 용접된다. 박스부와 덮개부는 인발 또는 펀칭 프로세스를 사용하지 않고 형성되고 함께 어셈블리된다. 대신, 파우치 셀 하우징은 일련의 폴딩 및 용접 단계를 통해 형성되어, 파우치 셀 크기는 금속 적층막의 인발 깊이에 의해 제한되지 않는다.
Description
본 발명은 적층 재료로 형성된 파우치형 배터리 셀 하우징에 관한 것이고, 상기 적층 재료의 적어도 하나의 층이 금속 포일층(metal foil layer)이고, 상기 파우치는 20㎜보다 큰 깊이를 갖는다.
배터리 팩들은 휴대용 전자 장치로부터 재생 가능 전력 시스템들 및 친환경 차량들에 이르는 다양한 기술들을 위해 전력을 공급한다. 예를 들어, 하이브리드 전기 차량들(hybrid electric vehicles; HEV)은 연료 효율을 높이기 위해 연소 엔진(combustion engine)과 함께 배터리 팩과 전기 모터를 사용한다. 배터리 팩들은 복수의 배터리 모듈들로 형성되며, 각 배터리 모듈은 몇 개의 전기 화학 셀들을 포함한다. 셀은 스택들로 배열되고 직렬 또는 병렬로 전기적으로 접속된다. 마찬가지로, 배터리 팩 내의 배터리 모듈들은 직렬 또는 병렬로 전기적으로 접속된다.
매우 다양한 설치 상황들의 공간 요건들을 처리하기 위해 상이한 셀 유형들이 출현하였고, 자동차들에서 사용되는 가장 일반적인 유형들은 원통형 셀들, 각기둥형 셀들, 및 파우치 셀들이다. 이들 셀들은 애노드, 캐소드, 캐소드 공간과 애노드 공간을 분리하는 격리막, 전해질/용매, 및 리튬 소스와 실질적으로 동일한 내부 구성을 나타내지만, 그것들은 그들의 일반적인 치수들, 셀 하우징, 및 체적 측정의 에너지 효율의 면에서 뚜렷하게 다를 수 있다.
셀 하우징과 관련하여, 예를 들어, 원통형 셀들 및 각기둥형 셀들 각각은 일반적으로 금속 또는 플라스틱으로 제조된 강성 하우징(rigid housing)을 가지고, 반면에 파우치 셀은 실제 배터리 공간을 환경으로부터 밀폐하는 적층막 재료로 제조된 가요성 외피(flexible outer envelope)로만 둘러싸여진다. 셀 하우징의 구성상의 이러한 차이는 배터리 셀들의 전력 대 중량비에 큰 영향을 미치고, 다수의 상호 연결된 셀들로 구성되는 배터리 팩들 및 배터리 모듈들의 제조에서 매우 중요할 수 있다.
본 발명의 목적은 적층 재료로 형성된 파우치형 배터리 셀 하우징을 제공하는 것이다.
파우치 셀 하우징은 금속 적층막으로 이루어진 가요성 외피로 형성되고, 전극 어셈블리 및 전해질을 하우징하여 파우치 셀을 형성하기 위해 사용된다. 파우치 셀 하우징은 인발 프로세스(drawing process)를 사용하지 않고 형성된다. 대신에, 파우치 셀 하우징은 일련의 폴딩(folding) 및 용접(welding) 단계들을 통해 형성되어, 파우치 셀은 임의의 원하는 깊이로 제조될 수 있다. 몇몇 양태들에서, 금속 적층막의 제 1 직사각형 블랭크(blank)는 폴딩되고 용접되어 일반적으로 박스 형상 구조(예를 들어, 개방 단부를 갖는 중공의 직사각형 컨테이너)를 형성한다. 제 2 직사각형 블랭크는 유사하게 폴딩 및 용접되어 박스용 덮개를 생성한다. 전극 및 전해질을 포함하는 활물질(active material)은 박스 내에 배치되고 덮개는 박스에 용접된다. 박스 형상 구조의 크기는 제 1 블랭크의 크기에 의해 결정된다.
파우치 셀 하우징은 임의의 바람직한 크기로 제조될 수 있고 20㎜보다 큰 깊이를 갖는 파우치 셀들을 제공하기 위해 특히 적합하기 때문에 일부 통상적으로 형성된 파우치 셀들과 비교하여 유리하다. 이것은 인발 프로세스에 의해 형성되는 일부 파우치의 종래의 파우치 셀들과 비교될 수 있다. 특히, 파우치 셀을 형성하기 위해 사용되는 금속 적층막의 최대 인발 깊이는 적층막 재료의 금속층의 재료 속성들에 의해 제한된다. 예를 들어, 알루미늄 적층막으로 형성된 일부 종래의 파우치 셀들에서, 2개의 동일한 적층막 시트들이 약 6㎜의 깊이로 인출된다. 전극을 형성하는 활물질 및 격리판은 적층막 시트들 사이에 끼워지고 시트들은 발열체(heating element)로 둘레 주위가 용접되어 종래의 (인발된) 파우치 셀을 형성한다(도 12). 이러한 종래의 방법은 알루미늄 층이 더 깊은 인발을 허용하기 위해 요구되는 신장 속성들을 갖지 않기 때문에 인발 프로세스를 통해 파우치 셀의 두께를 제한한다. 예를 들어, 약 10㎜의 최대 인발 깊이를 갖는 일부 알루미늄 적층막 재료들에 대하여, 인발 단계를 포함하는 형성 프로세스는 이와 같이 형성될 수 있는 파우치 셀의 높이를 약 10㎜ 내지 20㎜로 제한하고, 20㎜의 셀 높이(h)는 2개의 인발된 막들 사이에 활 물질을 끼워넣음으로써 획득되고, 셀 높이(h)는 파우치를 형성하기 위해 사용된 재료의 인발 방향에 대응한다. 이러한 높이 한도는 결국 파우치 셀 내에 저장될 수 있는 활물질의 양을 제한한다. 인발된 셀 하우징들을 갖는 이러한 종래의 파우치 셀들은 일반적으로 수용 가능한 에너지 출력들을 달성하기 위해 대면적(예를 들어, 길이 및 폭 치수들)을 갖는 플레이트들로 형성된다. 즉, 길이 또는 폭에 대한 셀 높이의 종횡비는 매우 작다(예를 들면, 0.1 미만).
셀 높이 대 셀 길이 또는 폭의 비교적 큰 종횡비, 예를 들면, 0.1을 초과하여 형성될 수 있는 "딥(deep)" 파우치 셀. 일부 양태들에서, 딥 파우치 셀은 20㎜보다 큰 높이(예를 들어, 전극의 플레이트들의 적층 방향에 평행한 치수)를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상대적으로 더 큰 높이로 인해, 상기 딥 파우치 셀은 증가된 전극 플레이트들의 수를 보유할 수 있고, 따라서 동일한 면적의 전극 플레이트들을 구비하고 인발함으로써 형성된 몇몇 종래의 파우치 셀들에 비해 증가된 에너지 출력을 제공할 수 있다. 대안적으로, 이러한 깊은 파우치 셀은 더 작은 면적 및 더 많은 수의 전극 플레이트들을 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 폐쇄 및 밀폐된 파우치 셀 하우징을 형성하기 위해 폴딩 및 용접을 통해 제 1 블랭크 및 제 2 블랭크를 어셈블리하는 인발 없는 방법이 설명된다. 상기 방법은 인발 단계들이 없으므로, 파우치 셀 하우징은 약 20㎜보다 큰 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.
도 1은 파우치 셀들의 어레이를 포함하는 배터리 팩의 분해 평면도.
도 2a는 파우치 셀의 평면도.
도 2b는 2B-2B 선을 따라 보여지는 도 2a의 파우치 셀의 개략적인 단면도.
도 3은 도 2의 파우치 셀을 형성하는 단계들의 플로차트.
도 4는 얇은 파선들로 폴드 라인들을 도시하는 도 2의 파우치 셀을 형성하기 위해 사용된 블랭크의 평면도.
도 5는 굵은 파선들로 용접 라인들을 도시하는 파우치 셀의 박스부의 평면도.
도 6은 굵은 파선들로 용접 라인들을 도시하는 파우치 셀의 덮개부의 평면도.
도 7은 반전된 덮개부의 평면도.
도 8은 도 8의 화살표 A의 방향에서 볼 때 박스부와 덮개부의 어셈블리 동안의 파우치 셀의 단면도.
도 9는 박스부와 덮개부의 어셈블리 동안의 파우치 셀의 평면도.
도 10은 도 8의 화살표 A의 방향에서 볼 때 박스부와 덮개부의 어셈블리 동안의 파우치 셀의 단면도.
도 11은 도 8의 화살표 B의 방향에서 볼 때 박스부와 덮개부의 어셈블리 동안의 파우치 셀의 단면도.
도 12는 금속 적층막을 인발함으로써 형성된 종래의 파우치 셀의 평면도.
도 2a는 파우치 셀의 평면도.
도 2b는 2B-2B 선을 따라 보여지는 도 2a의 파우치 셀의 개략적인 단면도.
도 3은 도 2의 파우치 셀을 형성하는 단계들의 플로차트.
도 4는 얇은 파선들로 폴드 라인들을 도시하는 도 2의 파우치 셀을 형성하기 위해 사용된 블랭크의 평면도.
도 5는 굵은 파선들로 용접 라인들을 도시하는 파우치 셀의 박스부의 평면도.
도 6은 굵은 파선들로 용접 라인들을 도시하는 파우치 셀의 덮개부의 평면도.
도 7은 반전된 덮개부의 평면도.
도 8은 도 8의 화살표 A의 방향에서 볼 때 박스부와 덮개부의 어셈블리 동안의 파우치 셀의 단면도.
도 9는 박스부와 덮개부의 어셈블리 동안의 파우치 셀의 평면도.
도 10은 도 8의 화살표 A의 방향에서 볼 때 박스부와 덮개부의 어셈블리 동안의 파우치 셀의 단면도.
도 11은 도 8의 화살표 B의 방향에서 볼 때 박스부와 덮개부의 어셈블리 동안의 파우치 셀의 단면도.
도 12는 금속 적층막을 인발함으로써 형성된 종래의 파우치 셀의 평면도.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 전력을 공급하기 위해 사용된 배터리 팩(1)은 배터리 팩 하우징(3) 내에 전기적으로 상호 접속되고 조직화된 방식으로 저장되는 전기 화학 셀들(2)을 포함한다. 셀들(2)은 전력 생성 및 저장 유닛을 형성하기 위해 전해질과 함께 셀 하우징(4) 내에 밀폐되는 전극 어셈블리(5)를 포함하는 리튬-이온 파우치 셀들이다. 전극 어셈블리(5)는 음극판과 교대로 배치되는 일련의 적층된 양극 플레이트들을 포함하고 중간 격리판들에 의해 분리되는 "적층된" 전극 어셈블리일 수 있지만, 이로 제한되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 셀들(2)의 어레이는 함께 묶어서 배터리 팩 하우징(3) 내에 차례로 저장되는 배터리 모듈들(도시되지 않음)을 형성할 수 있다. 배터리 모듈 내 및/또는 배터리 팩 하우징(3) 내에서, 셀들(2)의 어레이는 직렬 또는 병렬로 전기적으로 접속된다.
셀 하우징, 또는 파우치(4)는 직사각형 형상을 가지고, 박스부(7)와, 박스부(7)로부터 분리되어 형성되고, 이후 박스부(7)에 접합되는 덮개부(8)를 포함한다. 박스부(7) 및 덮개부(8)는 인발(drawing) 또는 펀칭(punching) 프로세스들을 사용하지 않고 함께 형성 및 어셈블리된다. 셀 하우징(4)은 임의의 비율들을 갖고 형성될 수 있지만, 일부 실시예들에서 결과의 파우치 셀 하우징(4)은 셀 길이(1) 또는 폭(w)에 대한 셀 높이(h)의 비교적 큰 종횡비(예를 들어, 전극의 플레이트들의 적층 방향에 평행한 치수), 예를 들어, 0.1보다 큰 종횡비를 갖는 "딥" 파우치 셀 하우징이다. 일부 실시예들에서, 딥 파우치 셀 하우징(4)은 셀 하우징(4)을 형성하기 위해 사용된 재료의 인발 깊이보다 큰, 예를 들면, 알루미늄 적층막으로 형성된 셀 하우징에 대해 20 ㎜보다 큰 높이(h)를 가질 수 있다.
도 3 내지 도 11을 참조하면, 파우치 셀 하우징(4)을 갖는 배터리 셀(2)을 형성하는 방법이 지금 설명될 것이다. 파우치 셀 하우징(4)은 비인발(non-drawing) 또는 비펀칭(non-punching) 방법을 사용하여 파우치 구성으로 배열되는 금속 적층막으로 형성된다. 특히, 셀 하우징(4)을 형성하기 위해 사용된 방법은 대신에 폴딩 및 용접 기술들을 사용하여 깊은 프로파일을 가질 수 있는 파우치 셀 하우징을 제공한다.
배터리 셀(2)을 형성하는 방법은 파우치 셀 하우징(4)을 형성하는 단계를 포함한다. 파우치 셀 하우징(4)은 일련의 폴딩 및 용접 단계들을 통해 박스부(7)로 형성된 제 1 블랭크(9) 및 덮개부(8)로 형성된 제 2 블랭크(109)를 함께 어셈블링함으로써 형성된다. 특히, 박스부(7)는 다음과 같이 형성된다:
도 4를 참조하면, 금속 적층 포일의 제 1 블랭크(9)가 제공된다(단계(102)). 제 1 블랭크(9)는 제 1 블랭크 표면(10)과, 제 1 블랭크 표면(10)에 대향하는 제 2 블랭크 표면(11)을 갖는다. 예를 들어, 상기 포일은 폴리아미드 층 및 폴리프로필렌 층 사이에 끼워진 알루미늄 포일층을 포함하는 3층 알루미늄 적층 포일일 수 있다. 이러한 예에서, 폴리프로필렌에 대응하는 포일의 표면은 제 1 블랭크 표면(10)에 대응하고, 폴리아미드에 대응하는 포일의 표면은 제 2 블랭크 표면(11)에 대응하고, 제 1 블랭크(9)는, 폴딩 후에, 제 2 블랭크 표면(11)(예를 들어, 폴리아미드 층)이 박스부(7)의 외부 표면을 제공하도록 구성된다.
제 1 블랭크(9)는 직사각형 둘레 형상, 예를 들어 정사각형 둘레 형상을 가지고, 따라서 제 1 에지(12), 제 1 에지(12)에 인접한 제 2 에지(14), 제 2 에지(14)에 인접하고 제 1 에지(12)에 평행한 제 3 에지(16), 및 제 3 에지(16)에 인접하고 제 2 에지(14)에 평행한 제 4 에지(18)를 갖는다.
도 5를 참조하면, 제 1 블랭크(9)는 a면, b면, c면 및 d면, 개방 단부(13), 및 개방 단부(13)에 대향하는 폐쇄 단부(15)를 갖는 박스부(7)를 형성하도록 폴딩 및 용접된다(단계(104)). 제 1 블랭크 표면(10)이 박스부(7)의 내부 표면에 대응하도록 폴드들이 형성된다. 보다 구체적으로, 열린 박스 형상 구성을 달성하기 위해, 제 1 블랭크(9)는 다음과 같이 형성된다:
제 1 에지(12)는 제 1 에지(12)가 제 1 블랭크 표면(10) 위에 놓이도록 제 1 폴드 라인(20) 주위로 폴딩되고, 제 3 에지(16)는 제 3 에지가 제 1 블랭크 표면(10) 위에 놓이도록 제 2 폴딩 라인(22) 둘레로 폴딩된다.
또한, 제 2 에지(14)는 제 2 에지(14)가 제 1 블랭크 표면(10) 위에 놓이도록 제 3 폴드 라인(24) 주위로 폴딩되고, 제 4 에지(18)는 제 4 에지가 제 1 블랭크 표면(10) 위에 놓이도록 제 4 폴드 라인(26) 주위로 폴드된다. 폴드 라인들(20, 22, 24, 26) 사이에 규정된 제 1 블랭크(9)의 영역은 박스부(7)의 폐쇄 단부(15)에 대응한다.
폴딩 단계들 후, 제 1 블랭크(9)는 폴드 라인(20, 22, 24, 26)의 교차 부분들을 따라 용접되어 박스부(7)의 측면들을 형성한다. 특히, 제 1 용접 라인(36)은 제 1 폴드 라인(20)과 제 3 폴드 라인(24) 사이의 교차를 따라 형성되고, 제 2 용접 라인(38)이 제 1 폴드 라인(20)과 제 4 폴드 라인(26) 사이의 교차를 따라 형성됨으로써, 박스부(7)의 "a" 면은 제 1 및 제 2 용접 라인들(36, 38), 제 1 에지(12) 및 제 1 폴드 라인(20) 사이에 규정된다. 제 3 용접 라인(40)은 제 2 폴드 라인(22)과 제 3 폴드 라인(24) 사이의 교차를 따라 형성되고, 제 4 용접 라인(42)은 제 2 폴드 라인(22)과 제 4 폴드 라인(26)의 교차를 따라 형성됨으로써, 박스부(7)의 "c" 면은 제 3 및 제 4 용접 라인들(40, 42), 제 3 에지(16), 및 제 2 폴드 라인(22) 사이에 규정된다. 또한, 박스부의 "b" 면은 제 1 및 제 3 용접 라인들(36, 40), 제 2 에지(14) 및 제 3 폴드 라인(24) 사이에 규정되고, 박스부의 "d" 면은 제 2 및 제 4 용접 라인들(38, 42), 제 4 에지(18), 및 제 4 폴드 라인(26) 사이에 규정된다. 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 용접 라인들(36, 38, 40, 42)은 각각의 폴드 라인들(20, 22, 24, 26) 및 대응하는 주변 에지(12, 14, 16, 18) 사이에 연장된다.
박스부(7)의 a, b, c, 및 d 면들을 형성하는 것 외에, 제 1 내지 제 4 용접 라인들(36, 38, 40, 42)은 또한 박스부(7)의 각각의 측면 모서리에서 여기서 "플리트들(pleats)"(52)이라고 불리는 중첩막의 삼각 영역들을 형성한다.
각각의 플리트들(52)은 제 1 블랭크(9)의 에지들(12, 14, 16, 18)의 교차부들을 접합하기 위해 용접된다. 예를 들어, 제 1 플리트(52a)에서, 제 5 용접 라인(44)이 제 1 에지(12) 및 제 2 에지(14)의 중첩부들을 따라 형성된다. 제 2 플리트(52b)에서, 제 6 용접 라인(46)은 제 2 에지(14)와 제 3 에지(16)의 중첩부들을 따라 형성된다. 제 3 플리트(52c)에서, 제 7 용접 라인(48)은 제 3 에지(16) 및 제 4 에지(18)의 중첩부들을 따라 형성된다. 제 4 플리트(52d)에서, 제 8 용접 라인(50)은 제 4 에지(18) 및 제 1 에지(12)의 중첩부들을 따라 형성된다. 제 5, 제 6, 제 7 및 제 8 용접 라인들(44, 46, 48, 50)은 측면 모서리와 각각의 플리트(52)의 정점 사이에서 연속적이다. 그러나, 측면 모서리들을 형성하는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 용접 라인들(36, 38, 40, 42)은 작은 포트(54)가 박스부(7)의 내부 공간과 각각의 플리트(52) 사이에 존재하도록 불연속적이다. 포트(54)는 셀(2)의 형성 동안 가스 경감을 위해 사용되어, 형성 가스들이 플리트들(52)로 배출하게 한다. 후속 단계에서, 포트(54)는 밀폐되고 가스 충전된 플리트들(52)은 이하에 논의되는 바와 같이 박스부(7)로부터 트림된다(trimmed).
도 6 및 도 7를 참조하면, 박스부(7)와 마찬가지로, 덮개부(8)는 개방 단부 박스(open-ended box)의 형상을 갖는다. 덮개부(8)는 이하의 단계들을 사용하여 형성된다.
금속 적층 포일의 제 2 블랭크(109)가 제공된다(단계(106)). 제 2 블랭크(109)는 제 1 블랭크 표면(110) 및 제 1 블랭크 표면(110)에 대향하는 제 2 블랭크 표면(111)을 갖는다. 이러한 예에서, 폴리프로필렌에 대응하는 포일의 표면은 제 1 블랭크 표면(110)에 대응하고, 폴리아미드에 대응하는 포일의 표면은 제 2 블랭크 표면(111)에 대응하고, 제 2 블랭크(109)는 개방 단부 박스(8')로의 폴딩 후, 제 2 블랭크 표면(111)(예를 들어, 폴리아미드 층)이 외부 표면을 제공하도록 구성된다.
제 2 블랭크(109)는 제 1 블랭크(9)와 동일한 둘레 형상을 갖는다. 도시된 실시예에서, 제 2 블랭크(109)는 정사각형 둘레 형상을 갖는다. 덮개부(8)는 박스부(7)의 개방 단부(13) 내에 맞춰지고 폐쇄하도록 크기가 정해진 폐쇄 단부(115)를 갖는다. 그러나, 덮개부(8)의 면들(e, f, g 및 h)은 박스부(7)의 대응하는 면들(a, b, c, d)보다 짧다. 이러한 이유 때문에, 제 2 블랭크(109)는 제 1 블랭크(9)의 면적보다 작은 면적을 갖는다.
제 2 블랭크(109)는 단계(104)에 따라 폴딩되고 용접되어 개방 단부(113), 대향하는 폐쇄 단부(115), 및 면들(e, f, g, h)을 갖는 개방 단부 박스(8')를 형성한다(단계 108). 제 2 블랭크(109)의 폴드 라인들은 덮개부(8)의 폐쇄 단부(115)가 박스부(7)의 폐쇄 단부(15)와 동일한 형상 및 치수들을 갖도록 구성된다. 또한, 제 1 블랭크 표면(110)(예를 들어, 폴리프로필렌 층)이 개방 단부가 있는 박스(8')의 내부 표면에 대응하고, 플리트들(52')은 개방 단부가 있는 박스(8')의 각 측면 모서리로부터 바깥쪽으로 연장되도록 폴드들이 형성된다.
선택적으로, 개방 단부 박스(8')의 플리트들(52')은 플리트들(52')의 각각의 정점들을 제거하기 위해 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 용접 라인들을 따라 트리밍될 수 있다.
제 1 블랭크 표면(110)(예를 들어, 폴리프로필렌 층)이 덮개부(8)의 외부면에 대응하고, 제 2 블랭크 표면(111)(예를 들어, 폴리아미드 층)이 덮개부(8)의 내부 표면에 대응하고, 플리트들(52')이 측면 모서리들로부터 안쪽으로 돌출하도록 덮개부(8)를 형성하기 위해 개방 단부가 있는 박스(8')가 반전된다(예를 들면, 뒤집어진다).
도 8 내지 도 11를 참조하면, 덮개부(8)는 다음과 같이 박스부(7)의 개방 단부를 폐쇄하도록 박스부(7)와 어셈블리된다(단계(110)).
덮개부(8)는 박스부(7)의 개방 단부(13) 내로 삽입되어, 덮개부(8)의 폐쇄 단부(115)는 박스부(7)의 a 면, b 면, c 면 및 d 면에 의해 둘러싸여지고, 덮개부(8)의 폐쇄 단부(115)는 박스부(7)의 개방 단부(13)로부터 이격된다(도 8). 또한, 덮개부(8)의 개방 단부(13)는 박스부(7)의 개방 단부(13)와 동일한 방향으로 개방되고, 덮개부(8)의 e 면, f 면, g 면 및 h 면은 박스부(7)의 a 면, b 면, c 면 및 d 면에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다.
삽입 후에, 박스부(7)의 각 면(a, b, c, d)은 덮개부(8)의 대응하는 중첩면(e, f, g 또는 h)에 용접된다(단계(112)). 도시된 예에서, 용접 단계는 제 9 용접 라인(56)을 따라 a 면을 e 면에 용접하는 단계, 제 10 용접 라인(58)을 따라 b 면을 f 면에 용접하는 단계, 제 11 용접 라인(58)을 따라 c 면을 g 면에 용접하는 단계, 및 제 12 용접 라인(62)을 따라 d 면을 h 면에 용접하는 단계를 포함한다(도 8). 제 9 내지 제 12 용접 라인들(56, 58, 60, 62)은 각각의 대응하는 면의 전체 길이를 따라 연장되어 박스부(7)의 둘레를 따라 연속적인 용접 라인을 형성하여, 덮개부(8)가 박스부(7)에 대해 밀폐되어, 밀폐된 파우치 셀 하우징(4)을 형성한다(도 9). 또한, 용접 라인들에 대응하는 박스 및 덮개부들(7, 8)의 면들(a-h)의 부분들은 덮개부 폐쇄 단부(115)를 둘러싸는 외부로 돌출하는 단부 탭들(56', 58', 60', 62')을 형성한다.
덮개부(8)를 박스부(7)와 어셈블링하기 전에, 전극 어셈블리(5) 및 전해질이 박스부(7)의 내부에 배치된다. 또한, 덮개부(8)를 박스부(7)에 용접하는 단계에 후속하여, 셀(2)의 형성이 수행된다. 셀(2)의 형성 동안 방출된 가스는 포트들(54)을 통해 박스부의 플리트들(52)로 방출된다. 플리트들(52)이 확장하더라도, 가스는 플리트들 내에 트랩(trap)된다. 형성이 완료될 때, 플리트들(52)은 가스로 채워진다. 일부 실시예들에서, 플리트들(52)은 천공되고(punctured), 가스는 진공을 통해 플리트의 내부로부터 제거된다. 또한, 제 1 내지 제 4 용접 라인들(36, 38, 40, 42)은 연속적으로 형성되고 플리트들(52)은 박스부(7)로부터 트림되어, 용접 라인들(36, 38, 40, 42)에 대응하는 돌출측 탭들(36', 38', 40', 42')을 남긴다.
일부 실시예들에서, 전극 어셈블리(5)의 양극 및 음극 단자(도시되지 않음)는 중첩하는 측면의 마주보는 표면들(facing surfaces) 사이, 예를 들어 박스부(7)의 면(a)과 덮개부(8)의 면(e)(도시되지 않음) 사이를 지난다. 덮개부(8)과 박스부(7)의 어셈블리로 인한 파우치 셀 하우징(4)이 완전히 밀폐되는 것을 보장하기 위해 밀봉재가 이러한 영역의 단자들을 둘러싸도록 사용될 수 있다.
덮개부(8)가 박스부(7)에 밀폐되면, 덮개부 폐쇄 단부(115)를 둘러싸는 단부 탭들(56', 58', 60', 62')이 파우치 셀 프로파일을 최소화하기 위해 파우치 셀 하우징(4)에 반대로 폴딩된다. 특히, a면 및 e면의 용접 부분들에 대응하고 제 9 용접 라인을 포함하는 단부 탭(56')은 덮개부 폐쇄 단부(115) 위에 안쪽으로 폴딩된다(도 10). 마찬가지로, c면 및 g면의 용접 부분들에 대응하고 제 11 용접 라인을 포함하는 단부 탭(60')은 덮개부 폐쇄 단부(115) 위에 안쪽으로 폴딩된다. 또한, b면 및 f면의 용접부들에 대응하고 제 10 용접 라인을 포함하는 단부 탭(58')이 박스부(7)의 b면 위에 바깥쪽으로 폴딩된다(도 11). 마찬가지로, d면과 h면의 용접부들에 대응하고 제 12 용접 라인을 포함하는 단부 탭(62')은 박스부(7)의 d면 위에 바깥쪽으로 폴딩된다.
본 명세서에 설명된 금속 적층 포일로 형성된 파우치 셀(2)을 형성하는 방법은 인발 또는 펀칭 프로세스들 또는 단계들이 없어서, 이러한 방법에 따라 형성된 파우치 셀 하우징(4)의 치수들은 금속 적층 포일의 인발 깊이로 제한되지 않는다. 결과적으로, 파우치 셀 크기 및 비율들은 파우치 재료의 재료 속성들에 의해 제한되지 않는다.
제 1 블랭크(9) 및 제 2 블랭크(109)는 직사각형 둘레 형상인 것으로서 설명하였지만, 제 1 블랭크(9) 및 제 2 블랭크(109)는 이러한 형상에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제 1 블랭크(9) 및 제 2 블랭크(109)는 원형 또는 불규칙한 둘레 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
제 1 블랭크(9) 및 제 2 블랭크(109)는 3층 알루미늄 적층 포일로 형성되지만, 블랭크들(9, 109)을 형성하기 위해 사용된 재료는 3층 알루미늄 적층 포일로 제한되지 않는다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 더 크거나 더 작은 수의 층들이 알루미늄 적층 포일을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 금속층은 강철과 같은 상이한 금속으로 형성되지만 그로 제한되지는 않는다.
셀 하우징(4)은 여기서 폴딩된 덮개부(8)와 어셈블리된 폴딩된 박스부(7)를 포함하는 것으로서 설명되었지만, 셀 하우징(4)은 이러한 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 덮개부(8)는 큰 깊이를 가질 필요가 없기 때문에, 일부 실시예들에서, 덮개부(8)는 제 2 블랭크(109)가 인출되어 폐쇄 단부, 측벽들 및 폐쇄 단부에 대향하는 개방 단부를 포함하는 홈부(recess)를 형성하는 인발 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 인출된 덮개부(8)는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 폴딩된 박스부(7)와 어셈블리될 수 있다.
파우치 셀(2)은 셀 하우징의 높이 방향으로 적층된 전극 플레이트들을 포함하는 전극 어셈블리(5)를 하우징하는 것으로 설명하였지만, 파우치 셀은 이러한 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 파우치 셀(2)은 적층된 플레이트 전극 구성이 아닌 젤리 롤 전극 구성을 갖는 전극 어셈블링을 포함할 수 있다. 다른 예에 대하여, 셀 하우징(4)의 높이 방향으로 적층된 전극 플레이트들을 제공하기보다는, 파우치 셀(2)은 셀 하우징(4)의 폭 방향 또는 길이 방향으로 적층되는 전극 플레이트들을 포함할 수 있다.
배터리 셀 및 셀 하우징의 선택적 예시적인 실시예들이 상기에 상세히 설명되었다. 이들 장치를 명확히 하기 위해 필요한 것으로 고려된 구조들만이 본원에 기술되었다는 것이 이해되어야 한다. 배터리 시스템의 다른 통상적인 구조들, 및 부수적인 및 보조적인 구성 요소들의 구조들은 당업자에게 공지 및 이해되는 것으로 가정된다. 또한, 상술한 배터리 셀 및 배터리 셀 하우징의 작동예들이 상기에 설명되었지만, 배터리 셀 및/또는 배터리 셀 하우징은 상술한 작동예들로 제한되지 않고, 청구항들에 설명된 바와 같은 장치들로부터 벗어나지 않고 다양한 설계 변경이 수행될 수 있다.
Claims (8)
- 금속 적층막 재료의 제 1 블랭크 및 금속 적층막 재료의 제 2 블랭크로 형성된 파우치 셀 하우징으로서, 상기 제 1 블랭크는 상기 제 2 블랭크와 접합되어 중공형 격실(hollow compartment)을 형성하는, 상기 파우치 셀 하우징, 및
상기 중공형 격실 내에 배치되는 전극 어셈블리로서, 상기 전극 어셈블리는 각각의 층이 다른 층의 대응하는 대면(facing surface)과 마주보는 대면을 포함하는 층들로 배열된 전극 재료를 포함하는, 상기 전극 어셈블리를 포함하는 배터리 셀로서,
층의 대면에 일반적으로 수직 방향으로의 상기 파우치 셀의 치수는 상기 제 1 블랭크의 표면에 수직 방향으로의 상기 제 1 블랭크의 인발 깊이(draw depth)와 상기 제 2 블랭크의 표면에 수직 방향으로의 상기 제 2 블랭크의 인발 깊이의 합보다 크고, 상기 파우치는 20㎜보다 큰 깊이를 갖고,
상기 제 1 블랭크는
제 1 블랭크 제 1 표면, 및
상기 제 1 블랭크 제 1 표면에 대향하는 제 1 블랭크 제 2 표면을 포함하고,
상기 제 1 블랭크는 a면, b면, c면 및 d면, 개방 단부, 및 상기 개방 단부에 대향하는 폐쇄 단부를 갖는 제 1 박스를 형성하고,
상기 제 2 블랭크는
제 2 블랭크 제 1 표면, 및
상기 제 2 블랭크 제 1 표면에 대향하는 제 2 블랭크 제 2 표면을 포함하고,
상기 제 1 블랭크는 e면, f면, g면 및 h면, 개방 단부, 및 상기 개방 단부에 대향하는 폐쇄 단부를 갖는 제 2 박스를 형성하고, 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부는 상기 제 1 박스의 상기 폐쇄 단부와 동일한 형상 및 치수들을 갖고,
상기 제 2 박스는, 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부가 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면에 의해 둘러싸이고, 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부로부터 이격되도록 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부 내로 삽입되고,
상기 제 2 박스의 상기 개방 단부는 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부와 같은 방향으로 개방되고,
상기 제 2 박스의 상기 e면, 상기 f면, 상기 g면 및 상기 h면은 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고,
밀폐된 컨테이너를 형성하도록 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면은 상기 제 2 박스의 상기 e면, 상기 f면, 상기 g면 및 상기 h면 중 대응하는 면에 용접되는, 상기 배터리 셀에 있어서:
상기 a면 및 상기 e면의 용접부들은 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부 위에 폴딩되고,
상기 c면 및 상기 g면의 용접부들은 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부 위에 폴딩되고,
상기 b면과 상기 f면의 용접부들은 상기 b면 위에 폴딩되고,
상기 d면과 상기 h면의 용접부들은 상기 d면 위에 폴딩되어, 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부가 상기 제 1 박스를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀. - 금속 적층막 재료의 제 1 블랭크 및 금속 적층막 재료의 제 2 블랭크로 형성되는 파우치 셀 하우징으로서, 상기 제 1 블랭크는 상기 제 2 블랭크와 접합되어 중공형 격실을 형성하는, 상기 파우치 셀 하우징, 및
상기 중공형 격실 내에 배치되는 전극 어셈블리로서, 층들로 배열된 전극 재료를 포함하는, 상기 전극 어셈블리를 포함하는 배터리 셀로서,
상기 파우치 셀 하우징의 길이 방향은 전극 재료의 층의 길이 방향에 대응하고, 상기 파우치 셀 하우징의 폭 방향은 전극 재료의 층의 폭 방향에 대응하고, 상기 파우치 셀 하우징의 높이 방향은 상기 파우치 셀 하우징의 길이 방향 및 폭 방향에 의해 정의되는 평면에 수직 방향에 대응하고,
(높이 방향에서의 상기 파우치 셀 하우징의 치수) 대 (길이 방향 및 폭 방향 중 하나에서의 상기 파우치 셀 하우징의 치수)의 비는 0.1보다 크고,
상기 제 1 블랭크는
제 1 블랭크 제 1 표면, 및
상기 제 1 블랭크 제 1 표면에 대향하는 제 1 블랭크 제 2 표면을 포함하고,
상기 제 1 블랭크는 a면, b면, c면 및 d면, 개방 단부, 및 상기 개방 단부에 대향하는 폐쇄 단부를 갖는 제 1 박스를 형성하고,
상기 제 2 블랭크는
제 2 블랭크 제 1 표면, 및
상기 제 2 블랭크 제 1 표면에 대향하는 제 2 블랭크 제 2 표면을 포함하고,
상기 제 1 블랭크는 e면, f면, g면 및 h면, 개방 단부, 및 상기 개방 단부에 대향하는 폐쇄 단부를 갖는 제 2 박스를 형성하고, 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부는 상기 제 1 박스의 상기 폐쇄 단부와 동일한 형상 및 치수들을 갖고,
상기 제 2 박스는, 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부가 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면에 의해 둘러싸이고, 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부로부터 이격되도록 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부 내로 삽입되고,
상기 제 2 박스의 상기 개방 단부는 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부와 같은 방향으로 개방되고,
상기 제 2 박스의 상기 e면, 상기 f면, 상기 g면 및 상기 h면은 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고,
밀폐된 컨테이너를 형성하도록 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면은 상기 제 2 박스의 상기 e면, 상기 f면, 상기 g면 및 상기 h면 중 대응하는 면에 용접되는, 상기 배터리 셀에 있어서:
상기 a면 및 상기 e면의 용접부들은 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부 위에 폴딩되고,
상기 c면 및 상기 g면의 용접부들은 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부 위에 폴딩되고,
상기 b면과 상기 f면의 용접부들은 상기 b면 위에 폴딩되고,
상기 d면과 상기 h면의 용접부들은 상기 d면 위에 폴딩되어, 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부가 상기 제 1 박스를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀. - 파우치 셀 하우징을 갖는 배터리 셀을 형성하는 방법으로서,
금속 적층막 재료의 제 1 블랭크를 제공하는 단계로서, 상기 제 1 블랭크는
제 1 블랭크 제 1 표면, 및
상기 제 1 블랭크 제 1 표면에 대향하는 제 1 블랭크 제 2 표면을 포함하는, 상기 제 1 블랭크를 제공하는 단계;
a면, b면, c면 및 d면, 개방 단부, 및 상기 개방 단부에 대향된 폐쇄 단부를 갖는 제 1 박스를 형성하도록 제 1 블랭크를 형성하는 단계;
금속 적층막 재료의 제 2 블랭크를 제공하는 단계로서, 상기 제 2 블랭크는
제 2 블랭크 제 1 표면, 및
상기 제 2 블랭크 제 1 표면에 대향하는 제 2 블랭크 제 2 표면을 포함하는, 상기 제 2 블랭크를 제공하는 단계;
e면, f면, g면 및 h면, 개방 단부, 및 상기 개방 단부에 대향된 폐쇄 단부를 갖는 제 2 박스를 형성하도록 상기 제 2 블랭크를 형성하는 단계로서, 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부는 상기 제 1 박스의 상기 폐쇄 단부와 동일한 형상 및 치수들을 갖는, 상기 제 2 블랭크를 형성하는 단계;
상기 제 2 박스를 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부 내로 삽입하는 단계로서,
상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부는 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면에 의해 둘러싸이고, 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부로부터 이격되고,
상기 제 2 박스의 상기 개방 단부는 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부와 같은 방향으로 개방되고,
상기 제 2 박스의 상기 e면, 상기 f면, 상기 g면 및 상기 h면은 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이도록 하는, 상기 제 2 박스를 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부 내로 삽입하는 단계; 및
밀폐된 컨테이너를 형성하도록 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면을 상기 제 2 박스의 상기 e면, 상기 f면, 상기 g면 및 상기 h면 중 대응하는 면에 용접하는 단계를 포함하는, 상기 파우치 셀 하우징을 갖는 배터리 셀을 형성하는 방법에 있어서:
상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부 위에 상기 a면 및 상기 e면의 용접부들을 폴딩하는 단계;
상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부 위에 상기 c면 및 상기 g면의 용접부들을 폴딩하는 단계;
상기 b면 위에 상기 b면과 상기 f면의 용접부들을 폴딩하는 단계; 및
상기 d면 위에 상기 d면과 상기 h면의 용접부들을 폴딩하는 단계를 포함하여, 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부가 상기 제 1 박스를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는, 파우치 셀 하우징을 갖는 배터리 셀을 형성하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 블랭크 및 제 2 블랭크는 인발 없는 프로세스(drawing-free process)를 사용하여 박스 형상으로 형성되는, 파우치 셀 하우징을 갖는 배터리 셀을 형성하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 블랭크는 인발 없는 프로세스를 사용하여 박스 형상으로 형성되고, 상기 제 2 블랭크는 인발 프로세스를 사용하여 박스 형상으로 형성되는, 파우치 셀 하우징을 갖는 배터리 셀을 형성하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 용접 단계는
상기 a면 및 상기 e면 중 적어도 하나의 전체 길이를 따라 상기 a면을 상기 e면에 용접하는 단계;
상기 b면 및 상기 f면 중 적어도 하나의 전체 길이를 따라 상기 b면을 상기 f면에 용접하는 단계;
상기 c면 및 상기 g면 중 적어도 하나의 전체 길이를 따라 상기 c면을 상기 g면에 용접하는 단계; 및
상기 d면 및 상기 h면 중 적어도 하나의 전체 길이를 따라 상기 d면을 상기 h면에 용접하는 단계를 포함하는, 파우치 셀 하우징을 갖는 배터리 셀을 형성하는 방법. - 삭제
- 파우치 셀 하우징을 갖는 배터리 셀을 형성하는 방법으로서,
금속 적층막 재료의 제 1 블랭크를 제공하는 단계로서, 상기 제 1 블랭크는
제 1 블랭크 제 1 표면, 및
상기 제 1 블랭크 제 1 표면에 대향하는 제 1 블랭크 제 2 표면을 포함하는, 상기 제 1 블랭크를 제공하는 단계;
a면, b면, c면 및 d면, 개방 단부 및 상기 개방 단부에 대향하는 폐쇄 단부를 갖는 제 1 박스를 형성하도록 상기 제 1 블랭크를 폴딩하는 단계;
금속 적층막 재료의 제 2 블랭크를 제공하는 단계로서, 상기 제 2 블랭크는
상기 제 2 블랭크 제 1 표면,
상기 제 2 블랭크 제 1 표면에 대향하는 제 2 블랭크 제 2 표면를 포함하는, 상기 제 2 블랭크를 제공하는 단계;
e면, f면, g면 및 h면, 개방 단부 및 상기 개방 단부에 대향하는 폐쇄 단부를 갖는 제 2 박스를 형성하도록 상기 제 2 블랭크를 폴딩하는 단계로서, 상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부는 상기 제 1 박스의 폐쇄 단부와 동일한 형상 및 치수들을 갖는, 상기 제 2 블랭크를 폴딩하는 단계;
상기 제 2 박스를 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부 내로 삽입하는 단계로서,
상기 제 2 박스의 폐쇄 단부는 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면에 의해 둘러싸이고, 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부로부터 이격되고,
상기 제 2 박스의 상기 개방 단부는 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부와 같은 방향으로 개방되고,
상기 제 2 박스의 상기 e면, 상기 f면, 상기 g면 및 상기 h면은 상기 제 1 박스의 상기 a면, 상기 b면, 상기 c면 및 상기 d면에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이도록 하는, 상기 제 2 박스를 상기 제 1 박스의 상기 개방 단부 내로 삽입하는 단계;
상기 a면을 상기 e면에 용접하는 단계;
상기 b면을 상기 f면에 용접하는 단계;
상기 c면을 상기 g면에 용접하는 단계; 및
상기 d면을 상기 h면에 용접하는 단계를 포함하는, 상기 파우치 셀 하우징을 갖는 배터리 셀을 형성하는 방법에 있어서:
상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부 위에 상기 a면 및 상기 e면의 용접부들을 폴딩하는 단계;
상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부 위에 상기 c면 및 상기 g면의 용접부들을 폴딩하는 단계;
상기 b면 위에 상기 b면과 상기 f면의 용접부들을 폴딩하는 단계; 및
상기 d면 위에 상기 d면과 상기 h면의 용접부들을 폴딩하는 단계를 포함하여,
상기 제 2 박스의 상기 폐쇄 단부가 상기 제 1 박스를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는, 파우치 셀 하우징을 갖는 배터리 셀을 형성하는 방법.
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