KR102191499B1 - 파우치형 이차 전지의 실링 장치 - Google Patents

파우치형 이차 전지의 실링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 실링 장치는 전극 조립체와 이기 전극 조립체를 수용하는 제1 및 제2 파우치로 이루어진 이차 전지의 가장자리 둘레를 따라 실링 영역을 형성하는 것으로, 이차 전지의 실링 영역 상에 배치되는 제1 실링 블록과; 이 제1 실링 블록과 이차 전지의 내부 영역 사이에 배치되고, 몸체부와 이 몸체부의 하부에서 하방으로 길이연장되어 있는 블레이드부를 구비한 제1 냉각 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

파우치형 이차 전지의 실링 장치 {Sealing apparatus of pouch type secondary battery}
본 발명은 파우치형 이차 전지의 실링 장치에 관한 것이다.
널리 알려져 있듯이, 이차전지(secondary battery)는 충전 및 방전을 반복적으로 수행할 수 있는 전지로서, 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로 적용되고 있다.
당해 분야의 숙련자들에게 알려져 있듯이, 이차 전지는 전극 조립체를 수납하기 위한 케이스의 외관 형상에 따라 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 구분된다.
파우치형 이차 전지는 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스, 및 전극 조립체로부터 연장되어 외부로 돌출되어 있는 전극 탭으로 이루어져 있다. 파우치 케이스는 전극 조립체의 수납가능한 공간을 제공하는 케이스 본체와, 이 케이스 본체를 덮어씌우는 케이스 커버로 이루어지는데, 통상적으로 케이스 본체와 케이스 커버의 가장자리를 상호 열압착시킴으로써 접착된다.
이러한 공정은 2008년 11월 25일자로 공고된 대한민국 등록특허 제10-0870355호(이하 특허문헌 1)의 도 3에 도시된 바와 같이 실링 블록을 통해 케이스 본체와 케이스 커버 가장자리를 서로 맞닿은 상태로 열융착시켜 결합된다.
이차 전지의 케이스로 파우치를 적용하는 경우에 파우치의 열압착이 과도하게 이루어지면, 파우치의 수지층이 녹아내려 전지의 절연파괴 현상을 일으키기 쉽고, 이와 반대로 과소하게 열압착이 이루어지면 파우치의 밀봉성을 보장할 수 없게 된다.
또한, 실링 블록과 전극 조립체(혹은 베어 셀(bare cell)) 사이에 이격 거리가 좁아질 경우 실링 블록에서 발생되는 열원이 전극 조립체에 직접적으로 영향을 미치게 되는 한편, 전술된 바와 같이 예상치 못한 수지층의 용융현상을 야기시켜 불량품을 양산할 수 있게 될 것이다.
대한민국 등록특허 제10-0870355호
본 발명은 전술된 문제점을 해소하기 위해 창출된 것으로, 실링 블록에서 발생되는 고열로부터 파우치형 이차 전지의 전극 조립체(혹은 베어 셀)를 보호할 수 있는 실링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 실링 장치는 전극 조립체와 이 전극 조립체를 수용하는 제1 및 제2 파우치로 이루어진 이차 전지의 가장자리 둘레를 따라 실링 영역을 형성하는 것으로, 이차 전지의 실링 영역 상에 배치되는 제1 실링 블록과; 이 제1 실링 블록과 이차 전지의 내부 영역 사이에 배치되고, 몸체부와 이 몸체부의 하부에서 하방으로 길이연장되어 있는 블레이드부를 구비한 제1 냉각 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 실링 장치는 이차 전지의 실링 영역 아래에 배치되는 제2 실링 블록과; 이 제2 실링 블록과 이차 전지의 내부 영역 사이에 배치되고, 몸체부와 이 몸체부의 상부에서 상방으로 길이연장되어 있는 블레이드부를 구비한 제2 냉각 부재;를 포함하고 있다. 이러한 배열은 이차 전지를 지지하면서 열압착가능하게 할 뿐만 아니라 실링 영역의 상측과 하측에서 동시에 열차단 커튼 효과를 제공할 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 한쌍의 실링 블록을 구비하는데, 제2 실링 블록이 이차 전지의 실링 영역을 기준으로 제1 실링 블록과 상하 대칭되게 배열된다.
이와 상응하여, 본 발명은 한쌍의 냉각 부재를 구비하는데, 제2 냉각 부재가이차 전지의 실링 영역을 기준으로 제1 냉각 부재와 상하 대칭되게 배열된다.
제1 및 제2 냉각 부재는 바아(bar)형상으로 형성되어, 실링 블록과 이차 전지의 내부 영역, 전극 조립체 사이에서 용이하게 배치될 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에서, 제1 및 제2 냉각 부재의 몸체부는 이의 길이방향을 따라 관통하는 안내공을 추가로 포함할 수 있다.
선택가능하기로, 본 발명의 실시예에 따른 냉각 부재는 몸체부의 중심 영역을 관통하는 한쌍의 안내공을 형성한다.
여기서, 안내공은 실온 온도의 공기 및/또는 실온 온도의 공기보다 차가운 냉매를 안내하는 경로로써 사용될 것이다.
제1 및 제2 냉각 부재의 블레이드부는 이의 끝단에 원통형상부를 추가로 포함하는데, 원통형상부는 블레이드부와 대면하는 파우치의 외부면과의 불필요한 접촉 시에 파손을 방지하도록 한다.
제1 및 제2 냉각 부재는 제1 및 제2 실링 블록의 길이보다 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 제1 파우치와 제2 파우치의 가장자리 둘레의 열융착을 돕는 실링 블록에서 나오는 고온의 열과 파우치형 이차 전지 내부에 내장된 전극 조립체(혹은 베어 셀)의 접촉을 차단하도록 제공된다.
다시 말하자면, 본 발명은 실링 블록과 파우치형 이차 전지 사이에 냉각 부재를 개재하여, 냉각 부재의 열차단 커튼 효과를 통해 실링 블록의 고온의 열이 파우치형 이차 전지로 전달되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
본 발명은 블레이드부를 갖춘 냉각 부재를 적용하여 실링 블록과 파우치형 이차 전지 내부에 전극 조립체 간의 협소한 이격 공간에도 사용할 수 있도록 설계되어 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 실링 장치의 사용 상태를 확인할 수 있는 도면이다.
도 2는 도 1의 원호부(A)를 확대한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 파우치형 이차 전지와 실링 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 실링 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이제, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지의 실링 장치는 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 장점, 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불명료하게 할 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 3을 참조로 하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 실링 장치가 도해되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 실링 장치는 개략적으로 실링 블록(110,120)과 바아(bar)형상의 냉각 부재(210,220)로 구성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 실링 장치는 파우치형 이차 전지(10)의 가장자리를 열융착시켜 파우치형 이차 전지(10)의 신뢰할 수 있는 밀봉성을 제공하게 된다.
당해 분야의 숙련자들에게 이미 널리 알려져 있듯이, 파우치형 이차 전지(10)는 이차 전지의 내부 영역에 배치될 전극 조립체(13)와, 이 전극 조립체(13)로부터 외부를 향해 연장되어 있는 전극 탭(14,15), 및 이 전극 조립체(13)를 수용하는 파우치(11,12)로 이루어진다. 참고로, 전극 조립체(13)는 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재하여 적층 또는 권취되어 있는 발전소자이다. 전극 탭(14,15)은 파우치(11,12) 내부의 전극, 예컨대 양극판과 음극판에 각각 용접되어 파우치(11,12)의 외부로 돌출되어 이차 전지(10)와 전기적 연결을 가능하게 한다.
이차 전지(10)는 전극 조립체(13)를 내부 영역에 수용할 수 있도록 오목형상의 수납부를 형성한 제2 파우치(12)와 이 제2 파우치를 덮어씌우는 제1 파우치(11)로 이루어진다. 선택가능하기로, 제1 파우치(11)는 도시된 바와 같이 전극 조립체(13)의 상부를 수용할 수 있게 볼록형상의 수납부를 형성할 수도 있다.
제1 파우치(11) 및/또는 제2 파우치(12)의 수납부에 전극 조립체(13)를 수납한 상태로 제1 파우치(11)와 제2 파우치(12)의 가장자리 둘레에 접촉 부위, 예컨대 실링 영역을 열압착시켜 이차 전지(10)를 밀봉하게 된다.
본 발명은 한쌍의 실링 블록(110,120) 사이에 제1 파우치(11)와 제2 파우치(12)의 실링 영역을 배치하고, 한쌍의 실링 블록(110,120)을 밀착시켜 실링 영역을 압착한다. 이때, 한쌍의 실링 블록(110,120)은 고열을 수단으로 하여 실링 영역을 열융착시켜 실링처리한다.
본 발명의 실시예에 따른 실링 장치는 파우치(11,12)를 지지하는 동시에 가압할 수 있도록 한쌍의 실링 블록(110,120)으로 구성된다.
실링 블록(110,120)은 120~250℃, 바람직하기로 180℃의 가열온도를 제공한다. 파우치(11,12)는 금속박막층(알루미늄층)과 이의 내부에 수지층으로 이루어지는데, 수지층은 열압착성을 가진 폴리프로필렌, 폴리올레핀 등으로 이루어질 수 있다. 파우치는 실링재로 사용될 수지층을 가열 압착시켜 파우치의 가장자리 둘레를 실링할 수 있게 된다. 파우치(11,12)의 실링 영역은 25℃ 미만(실온)에서는 실링이 제대로 일어나지 않는 경우가 있고 일정 고열(예컨대 500℃)을 초과하는 경우에는 열로 인해 파우치 자체가 손상될 우려가 있다. 따라서, 폴리프로필렌의 용융점은 150~160℃로, 실링 블록(110,120)의 설정 온도는 160℃ 이상의 온도로 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 실링 장치는 파우치(11,12)에 실링 영역을 형성하는 동안에 실링 블록(110,120)에서 발열되는 고온을 파우치(11,12) 내부에 내장된 전극 조립체(13)에 전달되지 않도록 열차단 효과를 제공하는 냉각 부재(210.220)를 구비한다. 도시된 바와 같이, 냉각 부재(210,220)는 파우치(11,12)의 외부면, 구체적으로 전극 조립체(13) 인접 부위와 실링 블록(110,120) 사이에 개재되도록 한다.
냉각 부재(210,220)는 실링 블록(110,120)에서 나오는 복사열의 차단을 방지하도록 실링 블록(110,120)과 소정의 이격거리로 이격되게 떨어져 배치된 바아(bar) 형상으로 이루어져 있다. 선택가능하기로, 실링 블록(110,120)의 길이보다 냉각 부재(210,220)의 길이가 더 길게 형성되어 열차단 커튼 효과를 확실하게 구현할 수 있도록 한다.
이와 더불어서, 냉각 부재(210,220)는 실링 블록(110,120)과의 접촉 혹은 인접하게 배치되어 파우치(11,12)의 실링 영역, 즉 가장자리에 가해진 열을 파우치(11,12)를 통해 전도되지 않도록 실링 영역과 전극 조립체(13) 사이에 열 교환 뿐만 아니라 열차단을 실시할 수 있다.
구체적으로, 냉각 부재(210)는 바아형상의 몸체부(211)와 이 몸체부(211)의 하부에서 하방으로 길이연장되어 있는 블레이드부(212;blade)로 이루어진다. 특별하기로, 몸체부(211)는 이의 길이방향으로 형성된 2개의 안내공(213a,213b)을 구비한다. 제1 안내공(213a)은 몸체부(211)의 상부에 근접하게 형성되어 있다. 제2 안내공(213b)은 제1 안내공(213a)과 평행하게 형성되되, 몸체부(211)의 하부, 즉 블레이드부(212)와 근접하게 형성되도록 한다.
제1 안내공(213a)과 제2 안내공(213b)은 그 내부를 따라 냉매를 강제로 유동시켜 실링 블록(110)의 가열 온도 하에서도 냉각 부재(210)의 온도 상승을 억제할 수 있게 된다. 제1 안내공(213a)과 제2 안내공(213b)으로 안내될 냉매는 공기 혹은 냉각수일 수 있다.
선택가능하기로, 제1 안내공(213a)은 실온 온도의 공기를 강제로 순환시킨다. 여기서, 실온의 의미는 일반적으로 상온으로 칭해지는 온도 범위로 15~20℃ 이다.
이와 달리, 제2 안내공(213b)은 실링 블록(110)의 중심 영역과 대면하고 열융착되는 실링 영역과 근접하게 배치되어 실온보다 더 차가운 온도의 냉매, 예컨대 냉각 공기를 강제로 순환시킬 수 있다. 물론 이에 국한되지 않고, 제2 안내공은 그 내부를 따라 실온 온도의 공기를 안내하는 한편 제1 안내공은 냉각 공기를 안내할 수도 있다.
블레이드부(212)는 앞서 기술되었듯이 실링 블록(110)의 하측면과 파우치의 전극 조립체의 협소한 공간 사이로 배치될 수 있는 구조를 가진다. 블레이드부(212)는 2개의 구성부재 사이에 열차단을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 필요에 따라 파우치(11)의 상면과 접촉되어 열 교환도 이루어질 수 있게 한다.
실링 블록 온도(℃) 냉각 부재 온도(℃)
최초 180 23
20분 경과 180 54
60분 경과 180 73
80분 경과 180 73.2
표 1은 실링 블록(110)과 파우치(11)에 수용될 전극 조립체의 수납부 사이에 냉각 부재(210)를 배치했을 경우에 열차단 효과를 확인할 수 있다.
실링 블록(110)을 180℃로 일정하게 유지할 경우, 실링 블록(110)과 소정의 간격을 두고 평행하게 배치된 냉각 부재(210)의 몸체부(211)는 시간의 추이에 따라 상승하게 되는 것을 확인할 수 있으며 60분 이후부터 몸체부(211)의 추가 온도 상승이 거의 이뤄지지 않는다는 사실을 확인할 수 있다. 즉, 냉각 부재(210)는 실링 블록(110)의 온도까지 상승하지 않게 되고 파우치 내에 전극 조립체(13)에 전달되는 열은 실링 블록의 복사열보다 상대적으로 낮은 온도일 수밖에 없을 것이다.
실링 블록 온도(℃) 냉각 부재 온도(℃)
최초 180 73.2
5분 경과 180 39.2
10분 경과 180 33.8
15분 경과 180 34.1
20분 경과 180 34.2
표 2는 표 1에 기재된 가열된 냉각 부재(210)에 냉매를 강제로 순환시켰을 경우 냉각 부재(210)의 열차단 효과를 확인할 수 있는 실험 데이터이다.
냉각 부재(210)의 안내공(213a,213b)에 실온의 공기를 주입하게 되면 냉매의 공급 없이 진행되었던 표 1에 비해서 더 낮은 냉각 부재의 몸체부(211) 온도를 확인할 수 있다. 이는 결과적으로 실링 블록(110)의 고온의 열이 확실하게 차단된 상태로 전극 조립체에 미약하게 전달되어 전극 조립체의 손상을 방지할 수 있을 것이다. 전술되었듯이, 안내공(213a,213b)에 실온보다 차가운 냉각 공기를 주입하게 될 경우에는 더욱 큰 열차단 효과를 기대할 수 있을 것이다.
제2 실링 블록(120)과 제2 냉각 부재(220)는 제1 실링 블록(110)과 제1 냉각 부재(210)와 배열 제외하고는 매우 유사한 구조로 이루어져 있다. 다시 말하자면, 제2 실링 블록(120)과 제2 냉각 부재(220)는 제1 실링 블록(110)과 제1 냉각 부재(210)와 파우치(11,12)의 실링 영역을 기준으로 상하 대칭되게 배치되어 있다.
도시된 바와 같이, 제2 냉각 부재(220)는 바아형상의 몸체부(221)과 이 몸체부(221)의 상부에서 상방으로 길이연장되어 있는 블레이드부(222)로 이루어진다. 제2 냉각 부재(220)는 고열의 제2 실링 블록(120)과 이차전지의 제2 파우치(12)의 수납부 사이에 배치되며, 블레이드부(222)는 제2 실링 블록(120)과 제2 파우치(12)의 협소 공간 사이에 개재될 수 있는 구조를 가진다.
또한, 제2 냉각 부재(220)의 몸체부(221)는 이의 길이방향을 따라 중심영역을 관통하는 2개의 안내공(223a,223b)을 형성한다. 제1 안내공(223a)는 몸체부(221)의 하부에 인접하게 형성되는 반면에 제2 안내공(223b)은 몸체부(221)의 상부, 즉 블레이드부(222)와 근접하게 형성된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실링 장치를 도해하는 것으로, 한쌍으로 배치된 냉각 부재(210,220)는 블레이드부(212,222)의 끝단에 원통형상부(214,224)를 배치하고 있다.
원통형상부(214,224)는 블레이드부(212,222)의 끝단 길이방향을 따라 둥글게 형성하여, 파우치(11,12)의 외부면에 국부 가압을 방지하여 파우치(11,12)의 외상을 방지할 수 있게 한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지의 실링 장치는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 ----- 파우치형 이차 전지,
11, 12 ----- 파우치,
13 ----- 전극 조립체,
110, 120 ----- 실링 블록,
210, 220 ----- 냉각 부재.

Claims (11)

  1. 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수용하는 제1 및 제2 파우치로 이루어진 이차 전지의 가장자리 둘레를 따라 실링 영역을 형성하는 실링 장치에 있어서,
    상기 이차 전지의 실링 영역 상에 배치되는 제1 실링 블록과;
    상기 제1 실링 블록의 길이방향을 따라 평행하게 이격배치된 몸체부를 갖춘 제1 냉각 부재;를 포함하며,
    상기 제1 냉각 부재의 몸체부는 상기 제1 실링 블록과 상기 이차 전지의 전극 조립체 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 몸체부는 상기 이차 전지의 실링 영역을 향해 길이연장되어 있는 블레이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이차 전지의 실링 영역 아래에 배치되는 제2 실링 블록과;
    상기 제2 실링 블록의 길이방향을 따라 평행하게 이격배치된 몸체부를 갖춘 제2 냉각 부재;를 포함하며,
    상기 제2 냉각 부재의 몸체부는 상기 제2 실링 블록과 상기 이차 전지의 전극 조립체 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 몸체부는 상기 이차 전지의 실링 영역을 향해 길이연장되어 있는 블레이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 실링 블록은 상기 이차 전지의 실링 영역을 기준으로 상기 제1 실링 블록과 상하 대칭되게 배열되고,
    상기 제2 냉각 부재는 상기 이차 전지의 실링 영역을 기준으로 상기 제1 냉각 부재와 상하 대칭되게 배열되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉각 부재는 바아(bar)형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉각 부재의 몸체부는 이의 길이방향을 따라 관통하는 안내공을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 안내공은 한쌍의 안내공을 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 안내공은 실온 온도의 공기 혹은 냉매를 안내하는 경로인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉각 부재의 블레이드부는 이의 끝단에 원통형상부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉각 부재는 상기 제1 및 제2 실링 블록의 길이보다 길게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 실링 장치.
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