KR102256603B1 - 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 연결되는 한 쌍의 전극 리드; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스;를 포함하며, 상기 전극 리드는, 상기 파우치 케이스의 내측에 위치하며, 상기 파우치 케이스의 측면에 형성된 리드 슬릿을 통해 파우치 케이스의 외측으로 노출된다.

Description

높은 에너지 밀도를 갖는 배터리 셀{Battery cells with high energy density}
본 발명은, 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리 셀에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 전극 리드가 파우치 케이스 외측으로 연장되지 않도록 구성됨으로써 종래의 배터리 셀에 있어서 전극 리드가 차지하던 공간만큼 에너지 밀도의 측면에서 장점을 갖는 배터리 셀에 관한 것이다.
파우치 타입 셀은, 통상적으로, 전극 조립체에 연결된 전극 리드가 파우치 케이스의 외부로 인출된 형태를 가지며, 이처럼 파우치 케이스의 외부로 인출된 전극 리드는, 일정 길이만큼 연장된 형태를 갖는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 파우치 타입 배터리 셀이 도시되어 있다.
먼저, 도 1을 참조하면, 파우치 케이스(1)의 외측으로 인출된 전극 리드(2)로 인해 배터리 셀이 차지하는 총 길이가 더욱 길어지는 것을 알 수 있다.
도 1의 A-A' 선을 따라 절단된 단면을 나타내는 도 2를 참조하면, 통상적인 배터리 셀에 있어서, 전극 리드(2)는 전극 조립체(3)의 말단에 형성된 전극 탭(3a)에 연결되어 파우치 케이스(1)의 실링부(1a)를 통해 외부로 인출되며, 외부의 전기장치와 전기적인 연결을 이루기 위해 실링부(1a)로부터 일정 거리만큼 더 연장된 형태를 갖는다.
이처럼 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같은 종래의 배터리 셀 구조에 따르면, 파우치 케이스(1)의 양 단으로부터 전극 리드(2)가 연장된 길이만큼 에너지 밀도의 측면에서는 손해를 볼 수 밖에 없는 문제가 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 파우치 타입 배터리 셀에 있어서, 전극 리드가 별도의 공간을 차지하지 않도록 배터리 셀을 설계함으로써 에너지 밀도를 향상시키는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 연결되는 한 쌍의 전극 리드; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스;를 포함하며, 상기 전극 리드는, 상기 파우치 케이스의 내측에 위치하며, 상기 파우치 케이스의 측면에 형성된 리드 슬릿을 통해 파우치 케이스의 외측으로 노출된다.
상기 배터리 셀은, 상기 리드 슬릿을 밀봉시키는 실란트를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀은, 상기 전극 리드와 전극 조립체 사이에 연결되는 적어도 하나의 과전류 차단 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 과전류 차단 소자는, PTC 소자 및 CID 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극 리드는, 상기 전극 조립체의 단부에 형성되는 전극 탭과 연결될 수 있다.
상기 배터리 셀은, 상기 전극 탭의 하부에 위치하여 상기 전극 탭을 지지하는 지지체를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀은, 상기 전극 탭과 전극 리드 사이에 연결되는 리드 탭을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 파우치 타입 배터리 셀의 구조를 변경 함으로써 전극 리드가 차지하는 공간의 생략이 가능하게 되며, 이로써 배터리 셀의 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 파우치 타입 배터리 셀에 있어서 전극 리드가 파우치 케이스의 외부로 인출되지 않기 때문에 배터리 셀을 전자기기와 연결하는 등의 경우에 있어서 전극 리드와 다른 부품 간의 간섭으로 인한 불량 발생 가능성을 현저히 줄일 수 있다
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 종래의 배터리 셀을 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 A-A' 선을 따라 절단된 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 나타내는 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 셀을 나타내는 사시도이다.
도 5는, 도 3의 X-X' 선을 따라 절단한 단면을 나타내는 단면도이다.
도 6 내지 도 8은, 도 5에 나타난 배터리 셀에 적어도 하나의 과전류 차단 소자가 적용된 경우를 나타내는 도면이다.
도 9는, 도 5에 나타난 배터리 셀과 비교하여 실란트의 설치 위치가 변경된 형태를 나타내는 도면이다.
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 아니 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 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 셀의 구조를 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 셀을 나타내는 사시도이며, 도 5는 도 3의 X-X' 선을 따라 절단한 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀은 파우치 타입의 배터리 셀로서, 전극 조립체(11), 파우치 케이스(12), 전극 리드(13), 실란트(15) 및 지지체(16)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 전극 조립체(11)는, 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 적어도 1회 이상 적층된 형태를 가지며, 양 측 최 외각에는 절연을 위해 세퍼레이터가 각각 위치하는 것이 바람직하다.
도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 양극판은, 양극 집전체 및 적어도 그 일 면 상에 코팅되는 양극 활물질 층으로 이루어지며, 일측 단부에는 양극 활물질 층이 코팅되지 않은 양극 무지부 영역이 형성되는데, 이러한 양극 무지부 영역은 전극 리드(13)와 연결되는 전극 탭(11a)으로서 기능한다.
마찬가지로, 상기 음극판은, 음극 집전체 및 적어도 그 일 면 상에 코팅되는 음극 활물질 층으로 이루어지며, 일측 단부에는 활물질 층이 코팅되지 않은 무지부 영역이 형성되는데, 이러한 무지부 영역은 전극 리드(13)와 연결되는 전극 탭(11a)으로서 기능한다.
한편, 상기 양극판과 음극판은, 적층 시에 서로 다른 극성을 갖는 전극 탭(11a)들, 즉 양극 탭과 음극 탭이 서로 동일한 방향을 향하도록 배치될 수도 있으며, 서로 반대 방향을 향하도록 배치될 수도 있다.
상기 양극 탭과 음극 탭이 서로 반대 방향을 향하도록 배치되는 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 한 쌍의 전극 리드(13) 역시 서로 반대 방향에 위치하는 형태의 배터리 셀이 제조되는 것이며, 양극 탭과 음극 탭이 서로 동일한 방향을 향하도록 배치되는 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이 한 쌍의 전극 리드(13) 역시 동일한 방향에 위치하는 형태의 배터리 셀이 제조되는 것이다.
상기 세퍼레이터는, 양극판과 음극판 사이에 개재되어 서로 다른 극성을 갖는 전극판끼리 물리적으로 직접 접촉되는 것을 방지하되, 이온이 통과할 수 있도록 다공성 재질로 이루어질 수 있다.
상기 파우치 케이스(12)는, 상부 케이스와 하부 케이스로 이루어질 수 있고, 상부 케이스 및 하부 케이스 각각은 제1 수지층/금속층/제2 수지층으로 구성되는 다층의 파우치 필름으로 이루어질 수 있다.
이 경우, 파우치 필름의 최 내측면을 이루는 제1 수지층은, 상/하부 케이스가 맞닿은 상태로 열을 가하였을 때 서로 잘 융착이 될 수 있도록 하기 위해 열 융착성을 갖는 수지로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 수지층은, 예를 들어, 폴리프로필렌-아크릴산 공중합체, 폴리에틸렌-아크릴산 공중합체, 염화폴리 프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원공중합체, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 파우치 케이스(12)는, 전극 조립체(11)를 수용하는 수용부(12a) 및 수용부(12a)의 둘레 방향으로 연장되어 열 융착에 의해 파우치 케이스(12)를 밀봉시키는 실링부(12b), 이렇게 두 영역으로 나누어 볼 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서 전극 리드(13)는 파우치 케이스(12)의 실링부(12b)를 통해 외부로 연장되지 않고, 파우치 케이스(12)의 수용부(12a) 내에 위치하게 되는데, 본 발명에 적용되는 파우치 케이스(12)는 수용부(12a)의 측면에 이러한 전극 리드(13)의 일 면이 외부로 노출되도록 하기 위한 리드 슬릿(H)을 구비한다.
이러한 리드 슬릿(H)은 전극 리드(13)의 일 면보다 작은 크기로 형성되어 전극 리드(13) 일 면의 일부가 외부로 노출되도록 한다.
즉, 본 발명에 적용되는 전극 리드(13)는, 종래의 배터리 셀과 같이 파우치 케이스(12)의 실링부(12b)를 통해 일단이 파우치 케이스(12)의 외부로 인출되지 않고, 모든 부분이 파우치 케이스(12)의 내부에만 위치하되, 파우치 케이스(12)에 형성된 리드 슬릿(H)을 통해 외부로 노출되는 것이다.
이처럼, 본 발명에 따른 배터리 셀은, 전극 리드(13)의 모든 부분이 파우치 케이스(12)의 내부에 위치하는 형태를 가짐에 따라, 전극 리드(13)가 파우치 케이스(12)의 외부로 인출되는 형태의 배터리 셀과 비교하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 셀은, 이처럼 전극 리드(13)가 파우치 케이스(12)의 외부로 인출되지 않는 형태를 가짐으로써 제조 공정 또는 사용 과정에서 전극 리드(13)의 간섭에 따른 제품 불량 발생의 위험을 현저히 줄일 수 있게 된다.
즉, 상기 전극 리드(13)는 파우치 케이스(12) 내에서 전극 탭(11a)과 초음파 융착 등의 공정을 통해 결합되는데, 전극 리드(13)가 파우치 케이스(12)의 외부로 인출되어 외부 물체 등과 간섭을 일으켜 힘을 받게 되면 전극 탭(11a)과 전극 리드(13) 간의 물리적 결합이 끊어질 위험이 증가할 수 있다.
따라서, 본원발명과 같이, 전극 리드(13)가 파우치 케이스(12)의 외부로 연장되지 않는 구조를 갖는 경우, 이러한 위험을 현저히 감소시킬 수 있게 되어 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 전극 리드(13)는 전극 탭(11a)과 직접 연결될 수도 있으나, 결합의 용이성을 위해, 동일한 극성을 갖는 복수의 전극 탭(11a)들을 하나의 리드 탭(14)에 먼저 연결한 후, 리드 탭(14)와 전극 리드(13)를 결합시키는 방식으로 전극 조립체(11)와 전극 리드(13) 간의 전기적 연결을 이룰 수도 있다.
상기 실란트(15)는, 리드 슬릿(H)을 밀봉시키는 것으로서, 파우치 케이스(12)의 내측면과 전극 리드(13)를 동시에 커버함으로써 파우치 케이스(12)의 내측면과 전극 리드(13)의 계면에 형성되는 틈새로 전해액이 누액되는 현상을 방지할 수 있다.
이러한 실란트(15)는, 파우치 케이스(12)의 내측면을 이루는 제1 수지층과의 접착의 용이성을 위해 열 융착성을 갖는 수지로 이루어질 수 있으며, 이러한 열 융착성을 갖는 수지는, 예를 들어, 폴리프로필렌-아크릴산 공중합체, 폴리에틸렌-아크릴산 공중합체, 염화폴리 프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원공중합체, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 지지체(16)는, 파우치 케이스(12) 내부에서 전극 탭(11a) 및/또는 리드 탭(14)의 하부에 위치하여 전극 탭(11a) 및/또는 리드 탭(14)을 지지함으로써 전극 탭(11a) 및/또는 리드 탭(14)이 전극 리드(13)에 좀 더 안정적으로 밀착될 수 있도록 한다.
다음은, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 과전류 차단 기능을 위한 안전 소자가 추가적으로 구비된 배터리 셀의 구조에 대해서 설명하기로 한다.
도 6 내지 도 8은, 도 5에 나타난 배터리 셀에 적어도 하나의 과전류 차단 소자가 적용된 경우를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀은, 전극 리드(13)의 하면에 부착되는 PTC 소자(Positive temperature coefficient device)(17)를 더 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 PTC 소자(17)의 일측 면에는 전극 리드(13)가 결합되고 타측 면에는 전극 탭(11a) 또는 리드 탭(14)이 결합된다.
이처럼 PTC 소자(17)가 구비된 배터리 셀은, 과전류의 발생 시에 온도의 상승에 따라 저항 값이 급격히 증가하는 PTC 소자(17)를 이용하여 전류의 흐름을 차단함으로써 과전류로 인한 발화/폭발 등의 위험을 사전에 차단할 수 있게 된다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀은, 과전류 차단 소자로서 PTC 소자(17) 대신 전극 리드(13)의 하면에 부착되는 CID(Current interrupt device)(18)를 구비할 수도 있다.
이 경우, 상기 CID(18)의 일측 면에는 전극 리드(13)가 결합되고 타측 면에는 전극 탭(11a) 또는 리드 탭(14)이 결합된다.
이처럼 CID(18)가 구비된 배터리 셀은, 과전류의 발생으로 인해 온도가 일정 수준에 이르면 접점이 ?D어지는 방식으로 과전류를 차단함으로써 과전류로 인한 발화/폭발 등의 위험을 사전에 차단할 수 있게 된다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀은, 상기 PTC 소자(17)와 CID(18)를 모두 구비하는 형태로 구현될 수도 있다.
이 경우, 도면에 도시된 바와 같이 PTC 소자(17)가 전극 리드(13)의 하면에 결합되고, CID(18)는 PTC 소자(17)의 하면에 결합되며, CID(18)의 하면에는 전극 탭(11a) 또는 리드 탭(14)이 결합될 수 있다. 그러나, 이러한 부품간의 배치관계는 그 순서가 바뀌어서, CID(18)가 전극 리드(13)의 하면에 부착되고, CID(18)의 하면에 PTC 소자(17)가 부착되며, PTC 소자(17)의 하면에는 전극 탭(11a) 또는 리드 탭(14)이 결합될 수도 있다.
또한, 본 발명의 도면에서는 배터리 셀에 구비되는 과전류 차단 소자로서 PTC 소자(17) 및 CID(18)만이 나타나 있으나, 이러한 과전류 차단 소자의 종류는 예시적인 것일 뿐, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 셀은, 전극 리드(13)와 전극 탭(11a) 사이 또는 전극 리드(13)와 리드 탭(14) 사이에는 온도의 상승에 따라 과전류를 차단하도록 동작하는 공지의 다양한 과전류 차단 소자들이 적용되어 이차전지 사용상의 안정성을 확보하도록 할 수 있는 것이다.
다음은, 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 배터리 셀에 적용되는 실란트(15)의 설치 위치가 변경된 예에 대해서 살펴보기로 한다.
도 9는, 도 5에 나타난 배터리 셀과 비교하여 실란트의 설치 위치가 변경된 형태를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 실란트(15)는, 파우치 케이스(12)의 내측 면과 전극 리드(13) 사이에 개재됨과 동시에 리드 슬릿(H)의 내벽면을 커버하도록 배치될 수 있다.
상기 실란트(15)가 이와 같은 위치에 구비되는 경우, 리드 슬릿(H)의 형성으로 인한 파우치 케이스(12)의 밀봉성 저하의 방지는 물론 리드 슬릿(H)의 내벽면을 통해 드러나게 되는 금속 층으로 인한 단락 위험 역시 감소시킬 수 있다.
즉, 상기 리드 슬릿(H)의 형성을 위해 파우치 케이스의 일부를 절개하는 경우 절단면을 통해 파우치 필름의 금속 층이 노출될 수 있는데, 예를 들어 이러한 금속 층에 한 쌍의 전극 리드(13)가 모두 접촉되는 경우에는 단락이 발생될 수 있기 때문에 이러한 금속 층이 노출되지 않도록 실란트(15)로 커버하는 것은 절연성의 향상 측면에서 바람직하다.
또한, 상기 실란트(15)는 파우치 케이스(12)와 실란트(15), 그리고 전극 리드(13) 세 가지 구성요소 상호 간의 결합을 견고하게 하기 위해 파우치 케이스(12)의 상면까지 연장되어 파우치 케이스(12)의 상면 일부를 감싸고, 마찬가지로 전극 리드(13)의 하면까지 연장되어 전극 리드(13)의 하면 일부를 감쌀 수도 있다.
한편, 도 9에서는 과전류 차단 소자가 적용되어 있지 않은 형태만이 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 도 9에 나타난 바와 같은 실란트(15)의 배치 구조가 적용되면서 과전류 차단 소자가 함께 적용되는 것도 가능함은 물론이다.
이상에서 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.
11: 전극 조립체
11a: 전극 탭
12: 파우치 케이스
12a: 수용부
12b: 실링부
H: 리드 슬릿
13: 전극 리드
14: 리드 탭
15: 실란트
16: 지지체
17: PTC
18: CID

Claims (7)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체에 연결되는 한 쌍의 전극 리드; 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스;
    를 포함하는 배터리 셀에 있어서,
    상기 전극 리드는,
    상기 파우치 케이스의 내측에 위치하며, 상기 파우치 케이스의 측면에 형성된 리드 슬릿을 통해 파우치 케이스의 외측으로 노출되며, 또한
    상기 전극 리드는,
    리드 탭을 통해 상기 전극 조립체의 단부에 형성되는 전극 탭과 연결되고, 또한
    상기 전극 리드의 모든 부분은, 상기 파우치 케이스를 구성하는 상부 케이스와 하부 케이스가 접합되는 영역인 실링부와 상기 전극 조립체 사이에 위치하며, 또한
    상기 전극 리드의 어느 일부도 상기 실링부 내에 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은,
    상기 리드 슬릿을 밀봉시키는 실란트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은,
    상기 전극 리드와 전극 조립체 사이에 연결되는 적어도 하나의 과전류 차단 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 과전류 차단 소자는,
    PTC 소자 및 CID 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은,
    상기 전극 탭의 하부에 위치하여 상기 전극 탭을 지지하는 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  7. 삭제
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