KR102075618B1 - 파우치형 이차전지 및 파우치 필름 포밍 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 파우치형 이차전지는, 양극판 및 음극판이 서로 대향하도록 배치된 전극 조립체와, 제1 파우치 필름, 및 상기 제1 파우치 필름과 열 융착되는 제2 파우치 필름으로 구성된 파우치 케이스를 포함하며, 상기 제1 파우치 필름 및 상기 제2 파우치 필름 중 적어도 어느 하나에 요홈이 형성되고, 상기 요홈은 상기 전극 조립체가 대면하게 안착 가능한 바닥면의 면적이 상기 요홈의 개방부를 커버하는 기준면의 면적과 같거나 더 크게 형성될 수 있다.

Description

파우치형 이차전지 및 파우치 필름 포밍 장치{Pouch type secondary battery and Apparatus for forming Pouch film}
본 발명은 파우치형 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 데드 스페이스(dead space)를 줄여 에너지밀도를 증가시킨 파우치형 이차전지와 이에 사용되는 파우치 필름을 포밍하기 위한 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 전기 에너지를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있아. 이에 따라 전기 제품들에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며 수요의 형태 역시 다양해 지고 있다. 따라서 다양한 요구에 부응할 수 있게 이차 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
이차 전지는 외장재의 종류에 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류되는데, 이 중 파우치형 이차 전지는 전극 조립체가 금속 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 내장되어 있는 이차 전지이다. 파우치형 이차 전지는 제조가 용이하고 제조 원가가 낮으며 복수의 단위 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 대용량의 전지 팩을 구성하기 쉽다는 장점이 있다.
예컨대, 싱글컵 타입의 파우치형 이차 전지는, 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 케이스와, 상기 파우치 케이스 내부에 수납되고 양극/분리막/음극을 포함하는 전기화학 셀이 다중으로 적층된 적극 조립체를 포함한다.
도 1은 종래 파우치형 이차전지의 개략적인 단면도이고, 도 2는 종래의 파우치 필름 포밍 장치가 파우치 필름에 요홈을 형성하는 포밍 공정을 나타낸 공정도이다.
도 1을 참조하면, 상기 파우치 케이스는 하부 파우치 필름(1)과 상부 파우치 필름(2)으로 구성된다. 그리고 상기 상부 파우치 필름(2)에는 전극 조립체(3)가 안착될 수 있는 요홈이 형성되어 있다. 상기 요홈은 상부 파우치 필름(2)을 전극 조립체(3)의 형상에 대응되게 포밍(forming)한 것으로, 요홈의 깊이는 상기 전극 조립체(3)의 두께에 따라 결정된다.
도 2를 참조하면, 종래의 파우치 필름 포밍 장치는 다이(die, 4)와 펀치(punch, 5)를 포함한다. 상기 다이(4)에는 파우치 필름(2)을 이용하여 파우치 케이스를 포밍할 때, 원하는 파우치 케이스의 형상에 대응하는 모양의 포밍 홈(4a)이 형성되어 있다. 이때, 상기 포밍 홈(4a)의 깊이는 요구되는 파우치 케이스에 형성되어야 할 요홈의 깊이에 대응되는 깊이를 가진다. 그리고 상기 펀치(5)는 파우치 필름(2)을 이용하여 원하는 깊이의 요홈을 가진 파우치 케이스를 형성하기 위해 상기 다이(4)에 파우치 필름(2)을 올려놓고 힘을 가해서 즉, 눌러서 포밍하는 역할을 한다.
그런데 다이(4)의 포밍 홈(4a) 직경이 펀치(5) 직경보다 크기 때문에 파우치 필름(2)의 요홈이 다이의 포밍 홈(4a)과 완전히 일치하게 포밍되지 못한다. 즉, 포밍 홈(4a)과 펀치(5) 간의 사이즈 차이와 다소 플렉서블한 파우치 필름(2)의 물성으로 인해, 포밍 공정에서 파우치 필름(2)의 측면부는 포밍 홈의 측면벽에 대해 들뜬 상태로 비스듬하게 포밍된다. 이와 같이 파우치 필름의 측면부가 비스듬하게 포밍될 경우, 요홈의 바닥면의 면적이 줄어들게 된다. 이를테면, 도 1에 도시한 바와 같이, 요홈의 기준면의 전폭을 L1 이라할 때, 바닥면의 전폭은 L1-2×(L2+L3)으로 요홈의 기준면에 비해 면적이 줄어든다.
그런데 파우치 케이스에 수납될 수 있는 전극 조립체의 사이즈는 요홈의 바닥면의 면적과 관계되기 때문에 요홈의 바닥면의 면적이 줄어드는 것은 에너지 밀도 측면에 불리하다. 최근 에너지 밀도가 높고 컴팩트한 전지 팩에 관한 연구 개발이 활발해지고 있는데, 이러한 전지 팩을 구현하기 위해서는 우선 이차전지 셀 단위에서 기존보다 에너지 밀도를 개선시켜야 한다는 지적이 많이 있다. 따라서 기존 파우치형 이차전지의 내부 공간에서 데드 스페이스(dead space)를 줄임으로서 에너지 밀도를 증대시킬 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 감안하여 창안된 것으로서, 파우치 케이스 내부에 데드 스페이스(dead space)를 줄여 기존보다 고용량의 전극 조립체를 수납함으로써 에너지 밀도를 증대시킬 수 있는 파우치형 이차전지와 이에 사용되는 파우치 필름을 포밍하기 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 양극판 및 음극판이 서로 대향하도록 배치된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 수납 가능한 요홈이 형성된 파우치 케이스로 구성되는 파우치형 이차전지로서, 상기 파우치 케이스는, 제1 파우치 필름; 및 상기 제1 파우치 필름과 열 융착되는 제2 파우치 필름을 포함하며, 상기 제1 파우치 필름 및 상기 제2 파우치 필름 중 적어도 어느 하나에 요홈이 형성되고, 상기 요홈은 상기 전극 조립체가 대면하게 안착 가능한 바닥면의 면적이 상기 요홈의 개방부를 커버하는 기준면의 면적과 같거나 더 크게 형성된 파우치형 이차전지가 제공될 수 있다.
상기 요홈은, 상기 기준면으로부터 깊이에 따라 상기 요홈의 전폭이 점진적으로 좁아지도록 형성된 제1 측면 구간과 상기 제1 측면 구간의 끝지점에서 상기 바닥면까지 상기 요홈의 전폭이 점진적으로 넓어지도록 형성된 제2 측면 구간을 포함할 수 있다.
상기 제1 측면 구간은 라운드진 형태를 취할 수 있다.
상기 전극 조립체의 전폭은 상기 제1 측면 구간 끝지점에서의 상기 요홈의 전폭에 대응할 수 있다.
상기 전극 조립체는, 하나 이상의 배터리 셀이 적층된 구조로 이루어지고, 상기 하나 이상의 배터리 셀 각각의 전폭은 적층된 위치에서의 상기 요홈의 전폭에 대응할 수 있다.
상기 하나 이상의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀군은, 상기 제1 측면 구간에 적층되고, 상기 제1 배터리 셀군의 배터리 셀 각각의 전폭은 상기 제1 측면 구간에 포함된 요홈의 전폭에 대응할 수 있다.
상기 하나 이상의 배터리 셀 중에서 제2 배터리 셀군은, 상기 제2 측면 구간에 적층되고, 상기 제2 배터리 셀군의 배터리 셀 각각의 전폭은 상기 제2 측면 구간에 포함된 요홈의 전폭에 대응할 수 있다.
상기 파우치형 이차전지는 상기 파우치 케이스의 내부에 수용된 상기 전극 조립체의 외주를 감싸는 이너 필름;을 더 포함할 수 있다.
상기 요홈은 상기 제1 파우치 필름에 형성될 수 있다.
상기 제1 파우치 필름과 상기 제2 파우치 필름의 한 장의 필름으로 형성되며, 상기 제1 파우치 필름에 대해 상기 제2 파우치 필름이 폴딩되어 싱글컵 타입의 파우치 케이스를 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 요홈을 구비하는 파우치 케이스를 포밍하기 위한 파우치 필름 포밍 장치로서, 상기 요홈에 대응하는 형상의 포밍 홈을 형성하되 수평 방향으로 상대 이동 가능하게 마련되는 제1 다이 유닛 및 제2 다이 유닛으로 구성된 다이; 및 상기 포밍 홈에 인출입 가능하고 공기압을 이용해 포밍 전 파우치 필름의 요홈 대상부를 상기 포밍 홈의 표면에 밀착시킬 수 있게 마련된 펀치를 포함하는 파우치 필름 포밍 장치가 제공될 수 있다.
상기 제2 다이 유닛은 상기 파우치 필름이 안착되는 상부면이 상기 제1 다이 유닛보다 상대적으로 더 넓게 형성될 수 있다.
상기 펀치는, 내부에서 외부로 압축 공기를 분사시킬 수 있는 복수의 공기 토출구를 구비할 수 있다.
상기 펀치는, 공기를 주입에 따라 수축 또는 팽창이 가능한 연질 소재로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 파우치 케이스 내부에 데드 스페이스(dead space)를 줄여 기존보다 고용량의 전극 조립체를 수납함으로써 에너지 밀도를 증대시킬 수 있는 파우치형 이차전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체가 안착될 수 있는 바닥면이 적어도 파우치 필름의 요홈 개방부를 커버하는 기준면과 같거나 더 넓은 요홈을 갖는 파우치 필름을 성형할 수 있는 파우치 필름 포밍 장치가 제공될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 파우치형 이차전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래의 파우치 필름 포밍 장치가 파우치 필름에 요홈을 형성하는 포밍 공정을 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 케이스의 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 파우치 케이스와 전극 조립체를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 3의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납 후 밀봉한 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5의 파우치형 이차전지에서 실링부를 접은 다음 상하를 반전시킨 상태를 나타낸 파우치형 이차전지의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극 조립체를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극 조립체를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 개략적인 단면도이다.
도 11 내지 도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름 포밍 장치가 파우치 필름에 요홈을 형성하는 포밍 공정을 나타낸 공정도들이다.
도 15 및 도 16는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 필름 포밍 장치가 파우치 필름에 요홈을 형성하는 포밍 공정을 나타낸 공정도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 케이스의 개략적으로 나타낸 사시도, 도 4는 도 3의 파우치 케이스와 전극 조립체를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지는 전극 조립체(10), 상기 전극 조립체(10)가 수납 가능한 요홈(31)이 형성된 제1 파우치 필름(30)과, 상기 제1 파우치 필름(30)과 상하로 열 융착될 수 있는 제2 파우치 필름(40)으로 구성된 파우치 케이스(20)를 포함한다.
자세히 후술하겠지만, 본 발명에 따른 파우치 케이스(20)는 종래의 파우치 케이스(20)와 전폭이 같지만, 전극 조립체(10)가 유효하게 수납될 수 있는 내부 공간이 더 확보될 수 있다. 따라서 동일 규격 대비 본 발명의 파우치형 이차전지는 종래의 파우치형 이차전지보다 용량이 더 큰 전극 조립체(10)를 수납할 수 있어 에너지 밀도가 더 높다. 이러한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지들을 사용할 경우, 종래보다 컴팩트한 전지팩의 설계가 가능해질 수 있다.
먼저, 본 발명의 파우치형 이차전지를 구성하는 전극 조립체(10)에 관해 간략히 설명하면, 전극 조립체(10)는 도면의 편의상 자세히 도시하지 않았으나, 양극판 및 음극판이 서로 대향하도록 배치된 형태로 구성될 수 있다. 양극판과 음극판은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.
양극판과 음극판은 플레이트 형태로 구성되고 판면이 서로 마주보는 형태가 되도록 이격 배치된다. 양극판과 음극판 사이에는 세퍼레이터(separator)가 개재되어 양극판과 음극판이 서로 직접 접촉되지 않도록 한다. 이러한 세퍼레이트는 양극판과 음극판을 차단시켜 이들이 단락되지 않게 하지만 충전 또는 방전 시 전하의 이동이 가능하도록 다공성 구조로 마련된다.
이러한 전극 조립체(10)에 전극 리드가 부착되고 상기 전극 리드는 파우치 케이스(20) 외부로 노출되어 다른 이차전지나 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있는 전극 단자 역할을 할 수 있다. 이러한 전극 리드는 전극 조립체(10)에 직접 연결된 전극 탭과 결합될 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 양극 탭과 음극 탭이 각각 양극 리드(11)와 음극 리드(12)와 결합될 수 있다.
파우치 케이스(20)는 폴리머 재질의 외부 절연층과 내부 접착층, 그리고 외부 절연층과 내부 접착층 사이에 개재된 금속층을 구비할 수 있다. 여기서 금속층의 재질로는 철, 탄소, 크롬 및 망간의 합금, 철, 크롬 및 니켈의 합금, 알루미늄 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있는데, 알루미늄 금속 호일이 널리 사용된다. 이러한 파우치 케이스(20)는 전극 조립체(10)와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체(10)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열 기능을 수행한다.
본 실시예에 따른 파우치 케이스(20)는 싱글컵 타입의 파우치 케이스(20)로서, 도 3과 같이, 한쪽 모서리가 서로 연결된 제1 파우치 필름(30)과 제2 파우치 필름(40)으로 구성된다. 그리고 제1 파우치 필름(30)에는 상기 전극 조립체(10)가 안착될 수 있는 요홈(31)이 구비된다. 상기 제1 파우치 필름(30)의 요홈(31)은 포밍(forming) 공정을 통해 전극 조립체(10)의 두께에 상응하는 깊이를 가지도록 형성될 수 있다.
본 실시예의 경우 제1 파우치 필름(30)에만 요홈(31)을 형성하였으나, 이와 달리, 제2 파우치 필름(40)에도 같은 형태의 요홈(31)이 형성될 수도 있다. 즉, 제1 파우치 필름(30) 및 제2 파우치 필름(40) 모두에 요홈(31)을 형성함으로써 본 실시예의 전극 조립체(10)보다 더 두꺼운 전극 조립체(10)를 수납할 수도 있다. 또한, 제1 파우치 필름(30)과 제2 파우치 필름(40)을 별도로 준비하고 이들을 상하로 열 융착할 수도 있다.
도 5는 도 3의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납 후 밀봉한 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 5의 파우치형 이차전지에서 실링부를 접은 다음 상하를 반전시킨 상태를 나타낸 파우치형 이차전지의 개략적인 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 요홈(31)은 전극 조립체(10)가 대면하게 안착 가능한 바닥면(36)의 면적이 상기 요홈(31)의 개방부를 커버하는 기준면(33)의 면적과 갖거나 그보다 더 크게 형성될 수 있다. 여기서 상기 기준면(33)은 요홈(31)의 개방부를 덮는 제2 파우치 필름(40)의 일면에 상응하는 면으로 이해될 수 있다.
참고로, 싱글컵 타입의 파우치 케이스(20)는 제1 파우치 필름(30) 위에 제2 파우치 필름(40)을 포갠 다음, 테라스 부위 다시 말하면 중첩된 외곽 테두리 부분들을 열 융착시킴으로써 형성되는 실링부(S)를 갖는다. 상기 실링부(S)는, 도 6과 같이, 전극 조립체(10) 방향으로 접혀질 수 있다. 이때 파우치형 이차전지의 전폭은 상기 기준면(33)의 전폭과 거의 같아질 수 있다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 요홈(31)은 기준면(33)으로부터 깊이에 따라 요홈(31)의 전폭이 점진적으로 좁아지도록 형성된 제1 측면 구간(34)과 상기 제1 측면 구간(34)의 끝지점에서 가장 깊은 곳인 요홈(31)의 바닥면(36)까지 상기 요홈(31)의 전폭이 점진적으로 넓어지도록 형성된 제2 측면 구간(35)을 포함한다.
상기 제1 측면 구간(34)은 라운드진 형태를 취한다. 다시 말하면, 제1 측면 구간(34)은 요홈(31)의 상단부를 형성하는 부분으로서 파우치 케이스(20)를 측면에서 바라보았을 때 전극 조립체(10) 방향으로 오목하게 들어간 형태를 취할 수 있다.
제1 파우치 필름(30)의 요홈(31)에 이와 같은 제1 측면 구간(34)을 마련함으로써 해당 부위에 응력이 집중하는 것을 방지할 수 있다. 부연하면, 파우치 필름은 포밍을 하는 공정에서 금속층 및 절연층의 재질이 가지는 연성의 한계에 도달할 경우 포밍으로 인한 스트레스를 견디지 못하고 찢어질 수 있는데, 특히 요홈(31)의 상단 에지 부분은 포밍 과정은 물론 포밍 후에도 스트레스에 취약하다. 따라서 본 발명의 경우, 라운트 형태로 포밍된 제1 측면 구간(34)을 가짐으로써 요홈(31)의 상단 에지 부분에 스트레스 또는 응력이 집중되지 않고 분산될 수 있다. 이러한 제1 측면 구간(34)은 후술할 파우치 필름 포밍 장치 중에서 다이(100)의 모서리 부분 곡률(R)에 대응될 수 있다.
한편, 파우치 케이스(20) 내부 공간 효율상 제1 측면 구간(34)은 제2 측면 구간(35)에 비해 상대적으로 아주 짧은 것이 바람직하다. 본 실시예의 경우 요홈(31)에 제1 측면 구간(34)이 형성되어 있으나, 제1 측면 구간(34)은 요홈(31)에서 생략될 수도 있다. 즉, 요홈(31)은 제1 측면 구간(34) 없이 바로 기준면(33)으로부터 전폭이 증가하는 제2 측면 구간(35)을 형성할 수도 있다.
제2 측면 구간(35)은 요홈(31)의 깊이를 결정하는 구간일 수 있다. 즉, 제2 측면 구간(35)은 전극 조립체(10)의 두께에 거의 상응할 수 있다. 이러한 제2 측면 구간(35)은 요홈(31)의 깊이, 다시 말하면 함몰 방향을 따라 요홈(31)의 전폭이 점진적으로 넓어지도록 형성된다. 제2 측면 구간(35)의 끝지점은 요홈(31)의 바닥면(36)의 4 모서리에 연결된다. 따라서 요홈(31)의 바닥면(36) 넓이는 제2 측면 구간(35)의 기울기 또는 길이에 의해 결정될 수 있다. 본 실시예의 경우, 요홈(31)의 바닥면(36)과 요홈(31)의 기준면(33)이 동일하도록 제2 측면 구간(35)이 형성되어 있다.
본 발명과 같이, 요홈(31)의 바닥면(36)이 요홈(31)의 기준면(33)과 같아지면, 종래의 전극 조립체(10)(도 1 참조)보다 사이즈가 더 큰 전극 조립체(10)를 요홈(31)에 안착시킬 수 있다.
보다 구체적으로 도 1과 도 5를 참조하여 전폭이 L1으로 동일한 치수의 종래의 파우치형 이차전지와 본 발명에 따른 파우치형 이차전지를 비교하면, 종래의 파우치형 이차전지는 종래의 전극 조립체(10)의 전폭(T1)과 데드 스페이스의 전폭(2×L3) 그리고 응력 완화 구간의 전폭(2×L2)의 합이 그 전폭(L1)이 된다. 반면에 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지는, 전극 조립체(10)의 전폭(T2)과 제1 측면 구간(34)의 전폭(2×L2)의 합이 전폭(L1)이다.
다시 정리하면, 종래의 파우치형 이차전지와 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립한다.
L1=T1+(2×L3)+(2×L2) = (T2)+(2×L2)
따라서 본 발명의 경우, 파우치 케이스의 전폭이 동일하더라도 종래기술에 따른 파우치 케이스(20)에 수납 가능한 전극 조립체(10)보다 더 큰 전극 조립체(10)가 수납 가능함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 파우치 케이스(20)는 요홈(31)의 바닥면(36)이 기준면(33)과 동일하게 형성됨으로써 최소한 제1 측면 구간(34) 끝지점에서의 요홈(31)의 전폭에 대응하는 전폭을 가진 전극 조립체(10)를 수납할 수 있고, 이에 따라 파우치형 이차전지의 에너지 밀도가 증대될 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지에 대해 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극 조립체를 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 개략적인 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지는 전극 조립체(10'), 상기 전극 조립체(10')가 수납 가능한 요홈(31)이 형성된 제1 파우치 필름(30)과, 상기 제1 파우치 필름(30)과 상하로 열(H) 융착될 수 있는 제2 파우치 필름(40)으로 구성된 파우치 케이스(20)를 포함한다.
이러한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지 대비, 전극 조립체(10')의 구성과 형태만이 상이할 뿐, 다른 구성 요소의 형태와 역할은 동일할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극 조립체(10')는 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)이 적층된 구조로 이루어 질 수 있다. 이때, 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4) 각각의 전폭은 상이할 수 있다. 보다 구체적으로, 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4) 각각의 전폭은 파우치 케이스(20)의 요홈(31)에 수용된 경우, 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4) 각각이 적층된 위치에서의 요홈(31)의 전폭에 대응될 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4) 중에서, 적층된 위치가 요홈(31)의 바닥면(36)과 맞닿는 배터리 셀(10-4)의 전폭은 요홈(31)의 전폭 중에서 가장 긴 전폭과 동일하게 형성될 수 있다.
다시 말해서, 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4) 각각은 요홈(31)에 수용되어 적층된 위치에서 양끝단이 요홈(31)과 접촉되도록 전폭이 최대한 길게 연장되어 형성될 수 있다. 이로 인해, 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)은 요홈(31)에 수용된 경우, 양단의 일부가 요홈(31)의 내측면에 접촉될 수 있다.
이러한, 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)은 기준면(33)으로부터 깊이에 따라 요홈(31)의 전폭이 점진적으로 좁아지도록 형성된 제1 측면 구간(34)에 적층되는 제1 배터리 셀군(10a)과 제1 측면 구간(34)의 끝지점에서 바닥면(36)까지 요홈(31)의 전폭이 점진적으로 넓어지도록 형성된 제2 측면 구간(35)에 적층되는 제2 배터리 셀군(10b)로 나뉠 수 있다.
에를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 배터리 셀군(10a)은 하나의 배터리 셀(10-1)을 포함할 수 있으며, 제2 배터리 셀군(10b)는 세개의 배터리 셀(10-2, ..., 10-4)을 포함할 수 있다.
제1 배터리 셀군(10a)의 배터리 셀(10-1)의 전폭은 제1 측면 구간(34)에 포함된 요홈(31)의 전폭에 대응될 수 있다.
또한, 제2 배터리 셀군(10b)의 배터리 셀(10-2, ..., 10-4)의 전폭은 제2 측면 구간(35)에 포함된 요홈(31)의 전폭에 대응될 수 있다.
즉, 제1 배터리 셀군(10a)와 제2 배터리 셀군(10b)에 포함된 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)은 서로 다른 전폭을 갖음으로써, 전극 조립체(10')의 측면이 요홈(31)의 전폭에 대응하여 계단 형상으로 형성될 수 있다.
이에 따라, 전극 조립체(10')의 측면은 계단 형상의 단차가 형성된 구조로 이루어 질 수 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지에 따르면, 기준면(33)에서 바닥면(36)에 이르기까지 넓어지거나 좁아지는 요홈(31)의 전폭에 대응하여 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)의 전폭이 연장되어 형성됨으로써, 요홈(31)의 체적에 최대한 근접하도록 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)이 서로 다른 체적을 가질 수 있다.
이로 인해, 요홈(31)의 공간 중에서 배터리가 수용되지 않는 빈공간을 최대한 줄임으로써, 파우치형 이차 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 도 7 및 도 8에 도시된 전극 조립체(10')는 4개의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)이 적층되어 형성된 것으로 설명되었지만, 배터리 셀(10-1, ..., 10-4) 각각의 두께를 감소시켜 5개 이상의 배터리 셀이 적층되어 형성될 수 있다.
즉, 전극 조립체(10')는 요홈(31)의 공간에 빈 공간이 최소화되도록 다수 개의 배터리 셀이 적층되어 형성됨으로써, 배터리 셀 각각의 양단과 요홈(31) 내부의 측면 간의 거리가 감소되어 요홈(31)의 공간을 배터리 셀로 최대로 채울 수 있다.
이하, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지에 대해 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극 조립체를 도시한 사시도이고, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 개략적인 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지는 전극 조립체(10')는 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)이 적층된 구조로 이루어질 수 있으며, 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)의 외주는 이너 필름(50)으로 감싸질 수 있다.
보다 구체적으로, 이너 필름(50)은 도 9에 도시된 바와 같인 튜브형으로 형성되어 내측에 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)이 삽입됨으로써, 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)의 외주를 감쌀 수 있다.
이러한, 이너 필름(50)은 열(H)이 가해지는 경우, 수축할 수 있는 열수축 필름일 수 있으며, 상술한 바와 같이, 내측에 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)이 삽입된 이후 열이 가해짐으로써, 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)의 외형에 대응하여 외주를 감쌀 수 있다.
다시 말해, 이너 필름(50)은 열(H)이 가해지는 경우, 내측에 삽입된 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)의 단차 형상에 대응하는 형태로 외주를 감싸면서 수축될 수 있다.
이에 따라, 이너 필름(50)은 서로 다른 전폭으로 형성된 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)이 요홈(31)에 적층되어 수용되는 경우, 요홈(31) 내에서 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)이 유동하지 않도록 하나 이상의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)을 측면에서 지지할 수 있다.
한편, 도 9 및 도 10에 도시된 전극 조립체(10')는 4개의 배터리 셀(10-1, ..., 10-4)이 적층되어 형성된 것으로 설명되었지만, 배터리 셀(10-1, ..., 10-4) 각각의 두께를 감소시켜 5개 이상의 배터리 셀이 적층되어 형성될 수 있다.
즉, 전극 조립체(10')는 요홈(31)의 공간에 빈 공간이 최소화되도록 다수 개의 배터리 셀이 적층되어 형성됨으로써, 배터리 셀 각각의 양단과 요홈(31) 내부의 측면 간의 거리가 감소되어 요홈(31)의 공간을 배터리 셀로 최대로 채울 수 있다.이하에서는 도 11 내지 도 14을 참조하여 상술한 파우치 케이스(20)를 포밍하기 위한 파우치 필름 포밍 장치에 관해 설명한다.
도 11 내지 도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름 포밍 장치가 파우치 필름에 요홈(31)을 형성하는 포밍 공정을 나타낸 공정도들이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름 포밍 장치는, 상기 요홈(31)에 대응하는 형상의 포밍 홈(110)을 형성하되 수평 방향으로 상대 이동 가능하게 마련되는 제1 다이 유닛(120) 및 제2 다이 유닛(130)으로 구성된 다이(100)와, 상기 포밍 홈(110)에 인출입 가능하고 공기압을 이용해 포밍 전 파우치 필름의 요홈 대상부(30a)를 상기 포밍 홈(110)의 표면에 밀착시킬 수 있게 마련된 펀치(200)를 포함한다.
다이(100)는 파우치 필름의 요홈(31)과 같은 형상의 포밍 홈(110)을 가진 금속 재질의 구조물로써 금형 역할을 한다. 특히, 본 발명에 따른 다이(100)를 구성하는 제1 다이 유닛(120)과 제2 다이 유닛(130)은 수평 방향으로 상대 이동 가능하게 마련된다. 제1 다이 유닛(120) 및 제2 다이 유닛(130) 중 어느 하나가 나머지 하나에 대해 수평 이동하게 하거나 서로 수평 이동하게 구성할 수 있다.
상기 다이(100) 유닛의 이동 수단으로는 예컨대, LM 가이드(미도시)를 이용하여 제1 다이 유닛(120) 및/또는 제2 다이 유닛(130)을 상대 이동시킬 수 있다. 물론 제1 다이 유닛(120) 및 제2 다이 유닛(130)을 상대 이동시킬 수 있는 이동 수단이라면 어떠한 구동 장치를 사용하더라도 무방하다.
본 발명의 경우, 이와 같이 제1 다이 유닛(120)과 제2 다이 유닛(130)을 수평 방향으로 상대 이동시킴으로써 포밍 후 파우치 필름을 다이(100)의 포밍 홈(110)에서 포밍된 형상 그대로 쉽게 빼낼 수 있다.
또한, 제2 다이 유닛(130)은 파우치 필름이 안착되는 상부면이 제1 다이 유닛(120)보다 상대적으로 더 넓게 형성될 수 있다. 싱글컵 타입의 파우치 케이스(20)는 제1 파우치 필름(30)과 제2 파우치 필름(40)이 일체로 이들의 일측 모서리가 서로 연결되는 형태를 갖는다. 이러한 싱글컵 타입의 파우치 케이스(20) 제작에 적합하도록 제2 다이 유닛(130)은 제1 다이 유닛(120)의 상부면보다 더 넓게 제작되어 제1 파우치 필름(30)에 요홈(31)을 성형할 때 제2 파우치 필름(40) 부분을 지지할 수 있다.
본 실시예에 따른 펀치(200)는 상기 다이(100)의 포밍 홈(110)에 대해 상하 방향으로 이동 가능하게 마련되어 다이(100)에 놓인 파우치 필름의 요홈 대상부(30a)가 포밍 홈(110)에 들어갈 수 있게 눌러주는 역할을 한다. 특히, 본 실시예의 경우, 펀치(200)의 하단부에 내부에서 외부로 압축 공기를 분사시킬 수 있는 복수의 공기 토출구(210)가 구비되어 있어 포밍 홈(110)의 표면에 파우치 필름을 공기압으로 밀착시킬 수 있다.
한편, 다이(100)의 포밍 홈(110)의 모서리 부분과 펀치(200)의 모서리 부분이 소정의 곡률을 갖도록 라운드 처리함으로써 포밍 과정에서 파우치 필름에 가해지는 스트레스를 줄여 파우치 필름의 손상을 방지할 수 있다.
이하에서 파우치 케이스(20)의 포밍 공정을 간략히 설명하기로 한다.
도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 다이(100)에 파우치 필름을 올려놓고 펀치(200)를 이용해 파우치 필름의 요홈 대상부(30a)를 누른다. 이때 파우치 필름의 요홈 대상부(30a)가 포밍 홈(110) 바닥면(36)에 닿도록 한다.
그 다음, 도 13와 같이, 에어 컴프레셔(미도시)를 작동시켜 압축 공기를 공기 토출구(210)를 통해 펀치(200) 밖으로 토출시킨다. 이에 따라 파우치 필름은 포밍 홈(110)의 측면부에 밀착될 수 있고, 파우치 필름 포밍이 완성되면 에어 컴프레셔 작동을 멈춘다.
그 다음, 도 14과 같이, 먼저 펀치(200)를 다이(100)에서 빼낸 후, 포밍된 파우치 필름을 안전하게 다이(100)에서 빼낼 수 있을 정도로 제1 다이 유닛(120)과 제2 다이 유닛(130)을 상대 이동시킨다. 그 후 다이(100)에서 파우치 필름을 완전히 빼내어 포밍 공정을 마친다.
이와 같은 구성의 파우치 필름 포밍 장치에 의하면, 요홈(31)의 바닥면(36)이 파우치 필름의 기준면(33)과 같거나 더 넓은 요홈(31)을 갖도록 파우치 필름을 기계적으로 포밍할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 필름 포밍 장치를 설명하기로 한다.
도 15 및 도 16는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 필름 포밍 장치가 파우치 필름에 요홈을 형성하는 포밍 공정을 나타낸 공정도들이다. 전술한 실시예와 동일한 부재번호는 동일한 부재를 내타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예의 펀치(200)는 공기를 주입함에 따라 수축 또는 팽창이 가능한 연질 소재로 형성된다. 이를테면, 본 실시예의 펀치(200)는 공기를 주입할 수 있는 고무 재질의 공기 주머니로서 공기가 주입되면 외형이 팽창될 수 있게 마련된다.
따라서, 도 15과 같이, 일정량의 공기가 주입된 펀치(200)를 사용해 파우치 필름을 요홈 대상부(30a)를 눌러서 포밍 홈(110) 속에 밀어 넣는다. 그 다음, 도 16와 같이, 펀치(200)가 포밍 홈(110) 속에 인입된 상태에서 다시 공기를 주입하게 되면 펀치(200)가 포밍 홈(110)의 형상대로 팽창하면서 파우치 필름의 요홈 대상부(30a)를 포밍 홈(110)의 표면에 밀착시킨다.
그 다음, 공기를 빼내어 펀치(200)를 수축시킨 후, 제1 다이 유닛(120)과 제2 다이 유닛(130)을 상대 이동시켜 파우치 필름을 포밍 홈(110)으로부터 빼낸다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치 필름 포밍 장치는, 펀치(200)가 연질 소재이므로 경질 소재로 제작된 전술한 실시예의 펀치(200)보다 부드럽다. 따라서 포밍 과정에서 파우치 필름의 손상 위험이 더 적을 수 있다. 또한, 연질의 펀치(200)가 포밍 홈(110) 내부에서 팽창하면서 파우치 필름의 요홈 대상부(30a) 전체를 가압하므로 파우치 필름의 포밍 홈(110)에 대한 밀착력이 더 높아져 포밍 완성도가 더 향상될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10, 10': 전극 조립체 20: 파우치 케이스
30: 제1 파우치 필름 31: 요홈
33: 기준면 34: 제1 측면 구간
35: 제2 측면 구간 36: 바닥면
40: 제2 파우치 필름 50: 이너 필름
100: 다이 110: 포밍 홈
120: 제1 다이 유닛 130: 제2 다이 유닛
200: 펀치 210: 공기 토출구

Claims (13)

  1. 양극판 및 음극판이 서로 대향하도록 배치된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 수납 가능한 요홈이 형성된 파우치 케이스로 구성되는 파우치형 이차전지로서,
    상기 파우치 케이스는,
    제1 파우치 필름; 및 상기 제1 파우치 필름과 열 융착되는 제2 파우치 필름을 포함하며,
    상기 제1 파우치 필름 및 상기 제2 파우치 필름 중 적어도 어느 하나에 요홈이 형성되고, 상기 요홈은 상기 전극 조립체가 대면하게 안착 가능한 바닥면의 면적이 상기 요홈의 개방부를 커버하는 기준면의 면적과 같거나 더 크게 형성되고,
    상기 요홈은, 상기 기준면으로부터 깊이에 따라 상기 요홈의 전폭이 점진적으로 좁아지도록 형성된 제1 측면 구간과 상기 제1 측면 구간의 끝지점에서 상기 바닥면까지 상기 요홈의 전폭이 점진적으로 넓어지도록 형성된 제2 측면 구간을 포함하며,
    상기 전극 조립체는,
    하나 이상의 배터리 셀이 적층된 구조로 이루어지고, 상기 하나 이상의 배터리 셀 각각의 전폭은 적층된 위치에서의 상기 요홈의 전폭에 대응하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 측면 구간은 라운드진 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀군은,
    상기 제1 측면 구간에 적층되고, 상기 제1 배터리 셀군의 배터리 셀 각각의 전폭은 상기 제1 측면 구간에 포함된 요홈의 전폭에 대응하고,
    상기 하나 이상의 배터리 셀 중에서 제2 배터리 셀군은,
    상기 제2 측면 구간에 적층되고, 상기 제2 배터리 셀군의 배터리 셀 각각의 전폭은 상기 제2 측면 구간에 포함된 요홈의 전폭에 대응하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파우치 케이스의 내부에 수용된 상기 전극 조립체의 외주를 감싸는 이너 필름;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 요홈은 상기 제1 파우치 필름에 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 파우치 필름과 상기 제2 파우치 필름은 한 장의 필름으로 형성되며, 상기 제1 파우치 필름에 대해 상기 제2 파우치 필름이 폴딩되어 싱글컵 타입의 파우치 케이스를 형성하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  10. 제1항에 따른 요홈을 구비하는 파우치 케이스를 포밍하기 위한 파우치 필름 포밍 장치로서,
    상기 요홈에 대응하는 형상의 포밍 홈을 형성하되 수평 방향으로 상대 이동 가능하게 마련되는 제1 다이 유닛 및 제2 다이 유닛으로 구성된 다이; 및
    상기 포밍 홈에 인출입 가능하고 공기압을 이용해 포밍 전 파우치 필름의 요홈 대상부를 상기 포밍 홈의 표면에 밀착시킬 수 있게 마련된 펀치를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치 필름 포밍 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 다이 유닛은 상기 파우치 필름이 안착되는 상부면이 상기 제1 다이 유닛보다 상대적으로 더 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 파우치 필름 포밍 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 펀치는,
    내부에서 외부로 압축 공기를 분사시킬 수 있는 복수의 공기 토출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치 필름 포밍 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 펀치는,
    공기를 주입에 따라 수축 또는 팽창이 가능한 연질 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치 필름 포밍 장치.
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