KR102094210B1 - 레이저 용접된 전극 탭과 전극리드를 구비한 전지셀 - Google Patents

레이저 용접된 전극 탭과 전극리드를 구비한 전지셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극, 분리막, 음극을 포함하는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 전극조립체는, 각각 전극 탭들이 외향 돌출되어 있는 복수의 전극판들이 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 전극 탭들은 판상형의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있으며; 상기 전극판들 중에서 일부 전극판들로 이루어진 제 1 극판군의 전극 탭들은 전극리드의 제 1 면에 레이저 용접으로 결합되어 있고; 상기 전극판들 중에서 나머지 전극판들로 이루어진 제 2 극판군의 전극 탭들은 상기 제 1 면에 반대 면인 전극리드의 제 2 면에 레이저 용접으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

레이저 용접된 전극 탭과 전극리드를 구비한 전지셀{Battery Cell Having Electrode Tabs and Electrode Lead Laser-welded to Each Other}
본 발명은 레이저 용접된 전극 탭과 전극리드를 구비한 전지셀에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등을 포함하여 고출력 대용량이 요구되는 디바이스의 동력원으로서 주목 받고 있다.
이러한 디바이스에는 고출력 대용량의 제공을 위해 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 적은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
이러한 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체에서는, 상기 전극조립체들을 이루는 양극판 및 음극판이 외부 디바이스와 전기적으로 연결되기 위해 다수의 전극 탭들(양극 탭 또는 음극 탭)을 필요로 하고, 이들을 취급을 용이하게 하기 위해 다수의 전극 탭들을 하나의 전극리드(양극리드 또는 음극리드)에 초음파 용접에 의해 결합시키는 과정을 거친다.
도 1에는 종래 전극 탭(35)들과 전극리드(60)가 초음파 용접에 의하여 결합되는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 이러한 초음파 용접에 의한 결합은, 대략 20 KHz 정도의 높은 초음파에 의해 발생된 고주파 진동을 인가하여, 전극 탭들(34)과 전극리드(60) 사이의 경계면에서 혼(Horn)(92)과 엔빌(Anvil)(93)의 작동에 따라 진동에너지가 마찰에 의해 열에너지로 변환되면서 급속히 용접이 이루어지는 원리로 진행된다.
그러나, 이렇게 초음파 용접에 의해 만들어진 전극 탭들(34)과 전극리드(60) 간의 결합은, 예를 들어, 전지모듈의 조립 과정에서 다른 부위의 초음파 용접 또는 기타 조립 과정의 진동이 전지셀 내부로 전달되어 상기 전극 탭들과 전극리드 간의 용접부위에 충격을 준다. 또한, 전지모듈이 차량 등에 탑재되어 반복적인 외부 충격과 진동에 노출될 때에도 초래되며, 그로 인해, 전극 탭들과 전극리드 간의 전기적 결합 부위에서 단전을 야기시키는 경향이 있다.
또한, 초음파 용접은 혼(92)과 엔빌(93) 사이에서 안정적으로 융착되기 위하여 비교적 긴 길이의 전극 탭들이 필요하며, 각각의 전극 탭들 중 일부는 큰 각도로 절곡되어야 하며, 각도가 가파를 경우에는 탭 단선이 발생되는 문제점이 있다.
이와 관련하여, 도 1을 다시 참조하면, A구간부터 D구간까지 각각 순서대로 분리막 구간, 경사 구간이고, 고정 구간 및 융착 구간으로 정의할 수 있다.
아래의 표 1은, 종래 초음파 용접된 전극조립체의 A 내지 D 구간의 길이를 측정한 데이터이다. 표 1을 참조하면, 일반적으로 분리막(32)의 길이를 전극판(31,32)의 길이보다 더 길게 형성하기 때문에 상기 A구간의 길이는 축소가 불가능하다.
구간 A(분리막 구간) B(경사 구간) C(고정 구간) D(융착 구간)
길이 2mm 2mm 2.8mm 7mm
한편, 상기 B 내지 D 구간은, 결합 방식 중 초음파 용접 방식을 채택함에 따라 발생되는 구간이다. 상세하게는, 초음파 용접 과정에서 상기 전극 탭(34)의 단선을 막기 위해서는, 전극 탭(34)들이 절곡되는 각도를 완만하게 형성하여야 한다.
이에 따라, 절곡되는 각도를 완만하게 형성하기 위하여, 초음파 용접되는 부위와 적층된 전극판(31,32,33) 사이의 거리를 멀게 할 수 밖에 없으며, B 구간은 상기 전극 탭(34)들의 절곡 각도를 완만하게 하기 위하여 필요한 구간이다.
또한, C 구간은 블레이드(Blade)(91)를 이용하여 초음파 용접 부위 전단부를 가압 및 고정하기 위하여 필요한 구간이며, 상기 블레이드로 전극 탭들을 가압함으로써, 용접 불량을 방지할 수 있다.
한편, D구간은 전극 탭(35)들과 전극리드(60)가 초음파 용접에 의하여 결합되는 구간이며, 비교적 넓은 면적을 필요로 한다.
이를 종합하면, B 내지 D 구간은 전지 용량에 기여하지 못하는 사공간(dead space)이 되는 문제점이 있으며, 전지셀의 소형화를 위해서는 상기 B 내지 D 구간의 축소가 절실히 필요하다.
따라서, 전술한 초음파 용접에 비하여 인장 강도가 높은 용접 방식이 필요하며, 전극리드와 전극 탭들이 이루는 각도가 완만하게 형성됨과 동시에 적층된 전극판과 용접되는 부위의 거리가 축소됨으로써 용접 과정에 필요한 사공간의 비율이 적은 전지셀 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전지셀이 본 발명에 따른 특정한 구조를 갖는 경우, 전극 탭들과 전극리드 사이의 각도를 감소시킬 수 있으며, 높은 인장 강도를 가짐으로써 전지셀을 소형화 시키는 것이 가능함을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 양극, 분리막, 음극을 포함하는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,
상기 전극조립체는, 각각 전극 탭들이 외향 돌출되어 있는 복수의 전극판들이 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 전극 탭들은 판상형의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있으며;
상기 전극판들 중에서 일부 전극판들로 이루어진 제 1 극판군의 전극 탭들은 전극리드의 제 1 면에 레이저 용접으로 결합되어 있고;
상기 전극판들 중에서 나머지 전극판들로 이루어진 제 2 극판군의 전극 탭들은 상기 제 1 면에 반대 면인 전극리드의 제 2 면에 레이저 용접으로 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 때, 전극판들은 양극판 또는 음극판일 수 있고, 상기 양극판들에 결합된 전극 탭을 양극 탭, 음극판들에 결합된 전극 탭을 음극 탭이라고 한다, 또한, 전극리드 역시 상기 양극 탭들에 레이저 용접되어 결합되는 것을 양극리드 및 음극 탭들에 레이저 용접되어 결합되는 것을 음극리드로 칭한다.
다만, 본 발명에서 양극 탭들과 음극 탭들, 및 양극리드와 음극리드는 상호 설명이 동일하므로, 이하에서는 별도로 이를 구별하지 않고, "전극 탭" 및 "전극리드"이라는 용어로 설명하도록 한다.
하나의 구체적인 예에서, 적층되어 있는 전극판들은 제 1 극판군 및 제 2 극판군으로 나눌 수 있으며, 상기 제 1 극판군의 전극탭들과 상기 제 2 극판군의 전극탭들은 동일한 전극리드의 상호 대향하는 면에 결합될 수 있다.
상세하게는, 제 2 극판군들 상부에는 제 1 극판군들이 적층되도록 위치될 수 있으며, 이 때에는 제 2 극판군에 속하는 전극판들 중에서 최상단 전극판은, 제 1 극판군에 속하는 전극판들 중에서 최하단 전극판과 하나의 분리막을 사이에 두고 대면하도록 형성될 수 있다.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 극판군에 속하는 전극판들과 제 2 극판군에 속하는 전극판들의 비율은 1:9 내지 9:1로 형성될 수 있다.
상세하게는, 상기 제 1 극판군에 속하는 전극판들과 제 2 극판군에 속하는 전극판들의 비율은 4:6 내지 6:4로 형성될 수 있다.
한편, 상기 판상형의 전극리드는 제 2 극판군에 속하는 전극판들 중 최하단 전극판과, 제 1 극판군에 속하는 전극판들 중 최상단 전극판 사이에서 임의의 위치에 상기 전극판들과 나란한 방향으로 인접하게 위치될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극리드에는 전지케이스와 열융착되는 리드 필름이 부착되어 있고; 상기 전극리드는, 리드 필름을 기준으로 전극군들 측으로 연장된 부위인 제 1 리드부와, 전극군들의 대향 측으로 연장된 부위인 제 2 리드부를 포함하고 있으며; 상기 전극 탭들은 제 1 리드부에 결합되도록 형성될 수 있다.
상기 리드 필름은 전지케이스와 열융착되어 접합되는 부위로써, 상기 리드 필름을 기준으로 전극군들이 위치한 측은 전지케이스에 내장되는 부분이고, 전극군들과 대향하는 측은 외부로 노출될 수 있다.
따라서, 상기 전극리드는 전극판과 나란한 방향으로 연장되어 있으며, 전극리드 중 상기 제 1 리드부는 전지케이스 내부 공간에 위치되는 부분이고, 상기 제 2 리드부는 전지케이스 외부 공간에 위치되는 부분으로서, 외부 디바이스와 연결될 수 있다.
이 때, 리드 필름은, 전지케이스와 전극리드를 직접 고온으로 열융착할 경우에, 전극리드가 손상되는 것을 방지하기 위하여 전극리드 상에 부착될 수 있으며, 이에 따라, 전극리드와 전지케이스간 전기적 단락을 방지할 수 있다.
한편, 리드 필름은 전극리드를 모두 덮도록 형성될 수도 있지만, 단지 열융착시 전극리드의 손상 및 전극리드와 전지케이스간 전기적 단락을 방지하기 위함이므로, 전극리드 중에서 전지케이스와 대면하는 위치에만 부착될 수 있다.
이러한 구성의 구체적인 예에서, 상기 리드 필름은 전극리드의 중앙 부위에서 제 1 면 및 제 2 면에 각각 상호 대향하게 부착될 수 있다.
한편, 상기 제 1 리드부 중 전극판들 측의 단부를 "제 1 단부"로 정의할 수 있으며, 제 1 리드부 중 리드 필름과 접하는 측의 단부를 "제 2 단부"로 정의할 수 있다.
이 때, 전극판들의 단부와 상기 제 1 단부 사이는 전지 용량에 기여하지 못하고, 부피만 차지하는 사공간(dead space)이며, 상기 사공간(dead space)을 줄임으로써 전지셀을 좀 더 소형화시킬 수 있다.
다만, 상기 사공간(dead space)을 줄이기 위하여 전극리드를 상기 전극판 측으로 더 인접하게 위치시킬 경우, 상기 극판들과 전극리드(제 1 단부) 사이에 이루는 각도가 더 커질 수 있고, 상기 각도가 크게 형성될 경우에, 용접 수행 과정에서, 전극 탭들의 단선이 발생할 위험이 있다.
따라서, 사공간을 줄이기 위해 전극리드를 전극판 측으로 인접하게 위치시키면서도, 극판들과 전극리드(제 1 단부) 사이에 이루는 각도를 줄일 수 있다면, 전지셀을 좀 더 소형화 시킬 수 있으면서도, 용접 과정에서 전극 탭들의 단선 위험을 방지할 수 있다.
이를 위하여, 하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 리드부의 전극리드 두께는 제 2 리드부의 전극리드 두께보다 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다.
상세하게는, 상기 제 1 리드부의 전극리드 두께는 제 2 리드부의 전극리드 두께에 대해 110% 내지 500% 크기로 형성될 수 있다.
상기 제 1 리드부의 전극리드의 두께를 두껍게 형성함에 따라, 상기 제 1 극판군 중 최상단 전극판(또는, 상기 제 2 극판군 중 최하단 전극판)과 전극리드(제 1 단부) 사이에 이루는 각도를 줄일 수 있으며, 용접 과정에서 발생할 수 있는 전극 탭 단선 현상을 방지할 수 있다.
이 때, 제 1 극판군 중 최상단 전극판과 전극리드 사이의 각도가 줄어들면, 제 1 극판군들에 형성된 전극 탭들과 전극리드 사이의 각도가 줄어들기 때문에, 제 1 극판군 중 최상단 전극판을 기준으로 설명한다.
또한, 제 1 리드부는 레이저 용접이 수행되는 부분인 바, 상기 제 1 리드부의 두께를 두껍게 함에 따라, 고온의 레이저 용접에 의하여 제 1 리드부가 관통되어 홀이 생기는 불량을 방지할 수 있다. 초음파 용접에 비하여 용접 온도가 매우 높기 때문에, 만약, 제 1 리드부의 두께가 얇다면, 제 1 리드부가 관통될 수 있는 위험이 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 지면을 기준으로 상기 전극리드의 제 1 면 및 제 2 면이 각각 상면 및 하면이 되도록 위치한 상태에서,
상기 제 1 극판군에 속하는 전극판들 중에서 최하단 전극판의 전극 탭은 비절곡 상태로 전극리드의 제 1 면인 상면에 결합되어 있고, 상기 최하단 전극판의 상부에 위치한 전극판들은 최하단 전극판으로부터 이격 거리에 대응하여 전극 탭들이 순차적으로 하향 절곡된 상태로 전극리드의 제 1 면인 상면에 결합되어 있으며;
상기 제 2 극판군에 속하는 전극판들 중에서 최상단 전극판의 전극 탭은 비절곡 상태로 전극리드의 제 2 면인 하면에 결합되어 있고, 상기 최상단 전극판의 하부에 위치한 전극판들은 최상단 전극판으로부터 이격 거리에 대응하여 전극 탭들이 순차적으로 상향 절곡된 상태로 전극리드의 제 2 면인 하면에 결합되도록 형성될 수 있다.
상세하게는, 이를 위하여 전극리드가, 분리막을 사이에 두고 상호 대면하도록 형성된 제 1 극판군에 속하는 전극판들 중 최하단 전극판 및 제 2 극판군에 속하는 전극판들 중 최상단 전극판과 동일한 높이에 나란하게 위치될 수 있다.
또한, 전극리드의 두께 역시, 제 1 극판군에 속하는 전극판들 중 최하단 전극판의 전극탭은 비절곡 상태로 전극리드의 제 1 면인 상면에 결합되고, 제 2 극판군에 속하는 전극판들 중 최상단 전극판의 전극탭은 비절곡 상태로 전극리드의 제 2 면인 하면에 결합될 수 있을 정도로 형성될 수 있다.
상세하게는, 제 1 극판군에 속하는 전극판들 중 최하단 전극판의 전극탭과 제 2 극판군에 속하는 전극판들 중 최상단 전극판의 전극탭의 높이 차이만큼의 두께로 형성될 수 있다.
또 하나의 다른 구체적인 예에서는, 지면을 기준으로 상기 전극리드의 제 1 면 및 제 2 면이 각각 상면 및 하면이 되도록 위치한 상태에서,
상기 제 1 극판군에 속하는 전극판들 중에서, 하부 전극판들의 전극 탭들은 상향 절곡된 상태로 전극리드의 제 1 면인 상면에 결합되어 있고, 상부 전극판들의 전극 탭들은 하향 절곡된 상태로 전극리드의 제 1 면인 상면에 결합되어 있으며;
상기 제 2 극판군에 속하는 전극판들 중에서, 상부 전극판들의 전극 탭들은 하향 절곡 상태로 전극리드의 제 2 면인 하면에 결합되어 있고, 하부 전극판들의 전극 탭들은 상향 절곡된 상태로 전극리드의 제 2 면인 하면에 결합될 수 있다.
이 때, 상기 제 1 극판군에서 전극 탭들이 상향 절곡된 하부 전극판들과 제 2 극판군에서 전극 탭들이 하향 절곡된 상부 전극판들의 개수는 전극리드의 두께에 의존적일 수 있다.
이는, 지면으로부터 전극리드의 위치까지의 높이가, 지면으로부터 제 1 극판군에 속하는 전극판들 중 최하단 전극판 또는 제 2 극판군에 속하는 전극판들 중 최상단 전극판의 위치까지의 높이와 동일하다고 하더라도, 전극리드의 두께가 두껍게 형성되었다면, 상기 제 1 극판군에서 전극 탭들이 상향 절곡된 하부 전극판들과 제 2 극판군에서 전극 탭들이 하향 절곡된 상부 전극판들의 개수가 많아질 수 있기 때문이다.
상세하게는, 상기 제 1 극판군에서 상부 전극판들과 하부 전극판들의 비율은 9:1 내지 7:3이고, 상기 제 2 극판군에서 상부 전극판들과 하부 전극판들의 비율은 3:7 내지 1:9로 형성될 수 있으며, 상기 비율은 지면으로부터 전극리드의 높이 및 전극리드의 두께에 따라서 조절이 가능하다.
한편, 상기 전극 탭들에 전극리드를 전기적으로 연결시키기 위한 방법으로서 레이저 용접은, 상기 제 1 리드부의 제 1 면에 제 1 극판군에 속하는 전극판들의 전극 탭들을 중첩하여 밀착시키고, 상기 제 1 리드부의 제 2 면에 제 2 극판군에 속하는 전극판들의 전극 탭들을 중첩하여 밀착시킨 상태에서, 제 1 면의 상부와 제 2 면의 하부로부터 각각 레이저 광을 조사하여 용접할 수 있다.
상기 제 1 리드부에서 레이저 용접된 부위의 폭은 2 mm 내지 4 mm로 형성될 수 있으며, 상기 레이저 용접은 광섬유 레이저에 의해 수행될 수 있다. 다만, 제 1 리드부 및 전극 탭을 결합시킬 수 있는 수단이라면 어떠한 것이라도 가능하며, 이에 제한되지 않음을 명시한다.
이 때, 상기 제 1 리드부의 제 1 면 및 제 2 면 상에 각각 중첩되어 있는 전극 탭들을 밀착용 지그들로 정위치시킨 상태에서 레이저 광을 조사할 수 있다.
여기서, 상기 밀착용 지그는 전극리드 중 제 1 단부 및 제 2 단부 양측을 고정하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 밀착용 지그를 이용하여 전극 탭들을 안정적으로 고정하기 위하여, 전극판들 각각에 연결된 전극 탭들의 길이는 절곡된 각도가 클수록 더 길게 형성될 수 있다. 만약, 전극 탭들의 길이가 모두 동일하도록 형성된다면, 절곡된 각도가 클수록 전극 탭들의 단부는 전극리드의 제 1 단부 측으로 형성될 수 있기 때문이다.
따라서, 전극 탭들의 절곡 각도와는 무관하게 제 1 리드부와 대면하는 전극 탭의 면적을 동일하도록 형성하고, 전극 탭들을 안정적으로 고정함으로써 용접 불량을 방지하기 위하여, 전극 탭들의 길이를 다르게 형성할 수 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 스택형, 또는 스택-폴딩형, 또는 라미네이션-스택형 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트에 파우치형 케이스일 수 있다.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 상기 양극에 연결된 전극 탭들과 결합되는 전극리드의 재질은 알루미늄으로 구성되고, 상기 음극에 연결된 전극 탭들과 결합되는 전극리드의 재질은 구리로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩을 제공하며, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
이 때, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 디바이스로 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극판들을 제 1 극판군 및 제 2 극판군으로 구분하고, 제 1 극판군에 연결된 전극탭들과 제 2 극판군에 연결된 전극탭들을 하나의 전극리드의 상호 대향하는 면에 구분하여 레이저 용접을 통하여 열융착시킴으로써 높은 인장 강도를 갖으며, 전극탭들과 전극리드가 이루는 각도를 감소시켜 전극 탭 단선을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 전지셀 내부 공간 중 전극조립체가 차지하는 비율을 증가시킴으로써, 전지셀의 크기 대비 전지용량을 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 종래 전극 탭들과 전극리드가 초음파 용접에 의하여 결합되는 과정을 개략적으로 도시하는 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 단면도이다;
도 3은 도 2의 전지셀의 양극/분리막/음극에 형성된 전극 탭이 전극리드에 연결된 상태를 도시하는 사시도이다;
도 4는 도 2의 전지셀의 전극리드의 제 1 리드부를 두껍게 형성한 상태를 도시한 단면도이다;
도 5는 도 2의 전지셀의 전극리드를 하측으로 위치시킨 상태를 도시한 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 단면도가 도시되어 있다.
도 2을 참조하면, 전극조립체(100)는 각각 전극 탭(114)들이 외향 돌출되어 있는 복수의 전극판들이 양극(101)과 음극(103) 사이에 분리막(102)이 개재되어 있는 상태로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 전극 탭(114)들은 판상형의 전극리드(160)에 전기적으로 연결되어 있다.
상세하게는, 양극(101)과 음극(103) 사이에 분리막(102)이 개재되어 있는 상태로 상하 방향으로 전극판들이 반복되어 적층되는 구조이다.
이 때, 상기 전극판(101,103)들은 각각 전극 탭(114)들이 형성되어 있으며, 상기 전극 탭(114)이 전극리드(160)의 상면인 제 1 면에 결합된 제 1 극판군(110)과, 하면인 제 2 면에 결합된 제 2 극판군(120)으로 구성되어 있다.
즉, 제 1 극판군(110)의 전극탭(114)들과 제 2 극판군(120)의 전극탭(124)들은 동일한 하나의 전극리드(160)에 결합되며, 이들은 상기 전극리드(160)의 서로 다른 면에 결합되도록 전극리드(160)의 상호 대향하는 면에 결합된다.
이와 같이, 제 1 극판군(110) 및 제 2 극판군(120)의 전극 탭들(114,124)이 전극리드(160)에 결합되는 면을 달리함으로써, 전극 탭들(114,124)과 전극리드(160) 사이의 각도를 감소되며, 이에 따라, 용접 과정에서 전극 탭들(114,124)이 단선되는 현상을 방지할 수 있다.
이 때, 제 1 극판군(110) 및 제 2 극판군(120)은 적층되어 있으며, 제 2 극판군(120)들 상부에는 제 1 극판군(110)들이 적층되도록 형성된다.
따라서, 전극조립체(100)를 이루는 분리막들 중 하나의 분리막의 상면은 제 1 극판군(110)에 속하는 전극판들 중에서 최하단 전극판과 대면하도록 형성되며, 분리막의 하면은 제 2 극판군(120)에 속하는 전극판들 중에서 최상단 전극판과 대면하도록 형성된다.
이 때, 상기 제 1 극판군(110)에 속하는 전극판들과 제 2 극판군(120)에 속하는 전극판들의 비율은 1:9 내지 9:1로 형성될 수 있으며, 도 2에서는 제 1 극판군(110)에 속하는 전극판들과 제 2 극판군(120)에 속하는 전극판들의 비율이 5:5로 형성된 상태가 도시되어 있다.
한편, 상기 판상형의 전극리드(160)는 제 2 극판군(120)에 속하는 전극판들 중 최하단 전극판과, 제 1 극판군(110)에 속하는 전극판들 중 최상단 전극판 사이에서 상기 전극판들과 나란한 방향으로 인접하게 위치될 수 있다.
도 2에서는 제 2 극판군(120) 중 최하단 전극판의 위치를 지면이라 할 때, 전극리드(160)가 지면을 기준으로 적층된 전극판들 높이의 절반에 위치되어 있다.
이 때, 상기 제 1 극판군(110)에 속하는 전극판들 중에서 최하단 전극판의 전극 탭 및 상기 제 2 극판군(120)에 속하는 전극판들 중에서 최상단 전극판의 전극 탭이 비절곡 상태로 전극리드(160)와 결합되어 있다.
상세하게는, 상기 제 1 극판군(110)에 속하는 전극판들 중에서 최하단 전극판의 전극 탭은 상기 전극리드(160)의 제 1 면인 상면에 결합되어 있으며, 상기 최하단 전극판의 상부에 위치한 전극판들은 최하단 전극판으로부터 이격 거리에 대응하여 전극 탭들(114)이 순차적으로 하향 절곡된 상태로 전극리드(160)의 제 1 면인 상면에 상측 방향으로 적층되어 결합되어 있다.
이와 동시에, 상기 제 2 극판군(120)에 속하는 전극판들 중에서 최상단 전극판의 전극 탭은 상기 전극리드(160)의 제 2 면인 하면에 결합되어 있으며, 상기 최상단 전극판의 하부에 위치한 전극판들은 최상단 전극판으로부터 이격 거리에 대응하여 전극 탭들(124)이 순차적으로 상향 절곡된 상태로 전극리드(160)의 제 2 면인 하면에 하측 방향으로 적층되어 결합되어 있다.
이러한 제 1 극판군(110)의 전극 탭들 및 제 2 극판군(120)의 전극 탭들은 모두 상기 전극리드(160)에 레이저 용접을 통하여 결합되어 있다.
여기서, 본 발명의 용접 방식인 레이저 용접은 기존의 용접 방식인 초음파 용접과는 달리, 고온으로 열융착시킴으로써, 더 높은 인장 강도를 가질 수 있다.
또한, 초음파 용접은 소정의 인장 강도를 갖기 위하여 넓은 면적에 대하여 열융착이 필요하며, 초음파 용접에 필요한 혼 및 엔빌 역시 이 자체가 차지하는 공간이 매우 크지만, 레이저 용접은 혼 및 엔빌이 필요한 초음파 용접에 비하여 차지하는 공간이 매우 작다.
더불어, 레이저 용접은 초음파 용접에 비하여, 좁은 면적만으로도 소정의 인장 강도를 가질 수 있으며, 이에 따라, 용접 폭을 줄임으로써, 궁극적으로 전지셀을 소형화시킬 수 있다.
이러한 효과를 보여주기 위해, 아래의 표 2는, 본 발명 도 2에 따른 구조를 갖는 전극조립체의 E 내지 G 구간의 길이를 측정한 데이터이다.
구간 E F G
길이 2mm 1mm 6mm
상기 표 2를 전술한 표 1과 비교하면, 제 1 극판군(110) 및 제 2 극판군(120)으로 전극판들을 분리하여 전극리드(160)의 상호 대향하는 면에 전극탭들(114,124)을 결합시킴에 따라, 표 1의 각도 구간을 2mm에서 1mm로 감소시킬 수 있다.
또한, 초음파 용접에 필요한 장치가 차지하는 C 및 D 구간은 9.8mm인데 반해, 레이저 용접에 필요한 장치가 차지하는 G 구간은 6mm이다.
따라서, 전지셀의 전지 용량에 기여하지 못하는 사공간(dead space)의 길이를 13.8mm에서 9mm로 감소시킬 수 있으며, 이에 따라, 기존의 초음파 용접에 의하여 제조된 전지셀보다 4.8mm만큼 길이를 줄임으로써, 궁극적으로 전지셀의 소형화를 달성할 수 있다.
한편, 도 3에는 도 2의 전지셀의 양극/분리막/음극에 형성된 전극 탭(140,150)이 전극리드(160,170)에 연결된 상태가 도시되어 있다. 도 3를 참조하면, 양극(101), 분리막(102) 및 음극(103) 순서로 적층되어 있으며, 양극(101)에 연결된 양극 탭(150))이 양극리드(170)의 상면에 결합되고, 음극(103)에 연결된 음극 탭(140)이 음극리드(160)의 상면에 결합되어 있다.
도 3는, 도 2에 도시된 제 1 극판군(110)에 위치한 양극(101), 분리막(102) 및 음극(103)을 도시하고 있으며, 제 2 극판군(120)에 형성된 전극 탭들은 이와는 반대로 전극리드의 하면에 결합되도록 형성될 수 있다.
다만, 양극 탭과 음극 탭, 및 양극리드와 음극리드는 결합되는 전극판 극성의 차이만 있을 뿐, 이를 제외한 설명은 동일하므로, 도 2 및 이하 도면들에서는 하나의 전극 탭과 전극리드의 용접 구성만을 도시하고, "전극 탭" 및 "전극리드" 이라는 용어로 설명하도록 한다.
도 4에는 도 2의 전지셀의 전극리드의 제 1 리드부를 두껍게 형성한 상태를 도시한 단면도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 또 하나의 구체적인 예에서, 전극리드(160)에는 전지케이스와 열융착되는 리드 필름(180)이 부착되어 있고; 상기 전극리드(160)는, 리드 필름(180)을 기준으로 전극군들(110,120) 측으로 연장된 부위인 제 1 리드부(160a)와, 전극군들(110,120)의 대향 측으로 연장된 부위인 제 2 리드부(160b)를 포함하고 있으며; 상기 전극 탭들(114,124)은 제 1 리드부(160a)에 결합되어 있다.
상기 리드 필름(180)은 전지케이스와 열융착되어 접합되는 부위로써, 리드 필름(180)을 기준으로 전극군들(110,120)이 위치한 측은 전지케이스에 내장되는 부분이고, 전극군들(110,120)과 대향하는 측은 외부로 노출되어 외부의 디바이스와 전기적으로 연결된다.
여기서, 상기 제 1 리드부(160a) 중 전극판들 측으로 연장된 단부를 "제 1 단부(161)"로 정의하고, 제 1 리드부(160a) 중 리드 필름(180)과 접하는 측의 단부를 "제 2 단부(162)"로 정의한다.
전극판들의 단부와 상기 제 1 단부(161) 사이는 전지 용량에 기여하지 못하고, 부피만 차지하는 사공간(dead space)이며, 상기 사공간(dead space)를 줄이기 위하여 전극리드(160)를 상기 전극군들(110,120) 측으로 더 인접하게 위치시킬 경우, 상기 제 1 극판군(110) 중 최상단 전극판 (또는, 상기 제 2 극판군(120) 중 최하단 전극판)과 전극리드(제 1 단부(161)) 사이에 이루는 각도가 더 커질 수 있다.
따라서, 도 4에서는 상기 제 1 극판군(110) 중 최상단 전극판 (또는, 상기 제 2 극판군 중 최하단 전극판)과 전극리드(제 1 단부(161)) 사이에 이루는 각도가 더 커지는 것을 억제함과 동시에, 전극리드(160)를 전극군들(110,120) 측으로 인접하기 위치시키기 위하여 상기 제 1 리드부(160a)의 전극리드 두께는 제 2 리드부(160b)의 전극리드 두께보다 상대적으로 두껍게 형성한 구성을 도시하고 있다.
한편, 본원발명은 전극리드(160)의 상호 대향하는 면에 밀착용 지그(190)를 이용하여 전극 탭들(114,124)을 고정시킨 후, 레이저 용접을 통하여 결합시키는 것으로써, 상호 대향하는 면에 각각 레이저 용접을 수행하는 바, 제 1 리드부(160a)의 두께가 얇다면 제 1 리드부(160a)가 관통될 수 있다.
따라서, 상기 제 1 리드부(160a)의 두께를 두껍게 함에 따라, 고온의 레이저 용접에 의하여 제 1 리드부(160a)가 관통되어 홀이 생기는 불량을 방지할 수 있는 효과도 있다.
한편, 제 1 리드부(160a)의 두께에 따라, 상기 제 1 극판군(110) 중 최하단 전극판 (또는, 상기 제 2 극판군(120) 중 최상단 전극판)과 전극리드(제 1 단부(161)) 사이에 이루는 각도가 다르게 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제 1 극판군(110)에서 전극 탭들(114)이 상향 절곡된 하부 전극판들과 제 2 극판군(120)에서 전극 탭들(124)이 하향 절곡된 상부 전극판들의 개수는 전극리드(160)의 두께에 의존적이다.
도 2를 도 4와 함께 참조하면, 도 2와 같이, 제 1 리드부(160a)의 두께가 매우 얇다면, 제 1 극판군(110) 중 최하단 전극판은 평행 또는 하향 경사를 이루고 제 2 극판(120) 중 최상단 전극판은 평행 또는 상향 경사를 이룬다.
이와는 반대로, 도 4를 참조하면, 제 1 리드부(160a)의 두께가 전극판들의 두께에 비하여 상대적으로 두꺼운 구성의 경우, 제 1 극판군(110) 중 최하단 전극판은 상향 경사를 형성할 수 있고, 제 2 극판(120) 중 최상단 전극판은 하향 경사를 형성한다.
이 때, 제 1 극판군(110) 중 최하단 전극판에서 상부에 위치한 전극판들로 가면서 전극판과 제 1 리드부(160a)가 이루는 각도는 상향 경사에서 하향 경사로 변하게 된다. 제 2 극판군(120)은 이와는 반대로 하측으로 갈수록 하향 경사에서 상향 경사로 변하도록 형성된다.
한편, 제 1 리드부(160a)의 위치(또는 높이)에 따라, 상기 제 1 극판군(110)에서 전극 탭들(114)이 상향 절곡된 하부 전극판들과 제 2 극판군(120)에서 전극 탭들(124)이 하향 절곡된 상부 전극판들의 개수가 다르게 형성될 수 있다.
이러한 구성을 설명하기 위해, 도 5에는 도 2의 전지셀의 전극리드를 하측으로 위치시킨 상태를 도시한 단면도가 도시되어 있다.
도 5과 같이, 전지셀의 전극리드(160)의 위치(또는 높이)를 달리 함에 따라, 제 1 극판군(110) 및 제 2 극판군(120)의 비율이 다르게 형성될 수 있으며, 상기 제 1 극판군(110)에서 전극 탭들(114)이 상향 절곡된 하부 전극판들과 제 2 극판군(120)에서 전극 탭들(124)이 하향 절곡된 상부 전극판들의 개수가 다르게 형성될 수 있다.
따라서, 도 2, 도 4, 및 도 5를 참조하면 알 수 있듯이, 설계자는 전극리드(160)의 위치 및 전극리드(160)의 두께(제 1 리드부(160a)의 두께)를 달리함으로써, 제 1 극판군(110) 및 제 2 극판군(120)의 비율을 변경할 수 있으며, 제 1 극판군(110) 및 제 2 극판군(120)에 형성된 전극 탭들(114,124)과 전극리드(160)가 이루는 각도를 변경할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 양극, 분리막, 음극을 포함하는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,
    상기 전극조립체는, 각각 전극 탭들이 외향 돌출되어 있는 복수의 전극판들이 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 전극 탭들은 판상형의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있으며;
    상기 전극판들 중에서 일부 전극판들로 이루어진 제 1 극판군의 전극 탭들은 전극리드의 제 1 면에 레이저 용접으로 결합되어 있고;
    상기 전극판들 중에서 나머지 전극판들로 이루어진 제 2 극판군의 전극 탭들은 상기 제 1 면에 반대 면인 전극리드의 제 2 면에 레이저 용접으로 결합되며,
    지면을 기준으로 상기 전극리드의 제 1 면 및 제 2 면이 각각 상면 및 하면이 되도록 위치한 상태에서,
    상기 제 1 극판군에 속하는 전극판들 중에서, 하부 전극판들의 전극 탭들은 상향 절곡된 상태로 전극리드의 제 1 면인 상면에 결합되어 있고, 상부 전극판들의 전극 탭들은 하향 절곡된 상태로 전극리드의 제 1 면인 상면에 결합되어 있으며;
    상기 제 2 극판군에 속하는 전극판들 중에서, 상부 전극판들의 전극 탭들은 하향 절곡 상태로 전극리드의 제 2 면인 하면에 결합되어 있고, 하부 전극판들의 전극 탭들은 상향 절곡된 상태로 전극리드의 제 2 면인 하면에 결합되어 있고,
    상기 제 1 극판군에서 전극 탭들이 상향 절곡된 하부 전극판들과 제 2 극판군에서 전극 탭들이 하향 절곡된 상부 전극판들의 개수는 전극리드의 두께에 의존적이며,
    상기 전극리드에는 전지케이스와 열융착되는 리드 필름이 부착되어 있고;
    상기 전극리드는, 리드 필름을 기준으로 전극군들 측으로 연장된 부위인 제 1 리드부와, 전극군들의 대향 측으로 연장된 부위인 제 2 리드부를 포함하고 있으며;
    상기 제 1 리드부의 전극리드 두께는 제 2 리드부의 전극리드 두께보다 상대적으로 두꺼우며, 상기 전극 탭들은 제 1 리드부에 결합되어 있고,
    상기 제 1 리드부의 제 1 면에 제 1 극판군에 속하는 전극판들의 전극 탭들을 중첩하여 밀착용 지그로 정위치 되도록 밀착시키고, 상기 제 1 리드부의 제 2 면에 제 2 극판군에 속하는 전극판들의 전극 탭들을 중첩하여 밀착용 지그로 정위치 되도록 밀착시킨 상태에서, 제 1 면의 상부와 제 2 면의 하부로부터 각각 레이저 광을 조사하여 용접하고,
    상기 밀착용 지그는 제 1 리드부의 제 1 단부 및 제 2 단부 양측을 고정하며,
    상기 전극 탭의 경사 구간의 길이는 1mm이고, 레이저 용접에 필요한 장치가 자치하는 구간의 길이는 6mm인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형, 또는 스택-폴딩형, 또는 라미네이션-스택형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트에 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 극판군에 속하는 전극판들과 제 2 극판군에 속하는 전극판들의 비율은 1:9 내지 9:1인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 극판군에 속하는 전극판들과 제 2 극판군에 속하는 전극판들의 비율은 4:6 내지 6:4인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 필름은 전극리드의 중앙 부위에서 제 1 면 및 제 2 면에 각각 상호 대향하게 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 리드부의 전극리드 두께는 제 2 리드부의 전극리드 두께에 대해 110% 내지 500% 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 리드부에서 레이저 용접된 부위의 폭은 2 mm 내지 4 mm인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 극판군에서 상부 전극판들과 하부 전극판들의 비율은 9:1 내지 7:3이고, 상기 제 2 극판군에서 상부 전극판들과 하부 전극판들의 비율은 3:7 내지 1:9인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 1 항 내지 제 5 항, 제 7 항, 제 9 항, 제 10 항 및 제 14 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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