KR102394698B1 - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

한 쌍의 전극 단자가 인출되는 상면, 상면과 마주보는 하면, 상면과 하면을 연결하는 면들 중 상대적으로 면적이 큰 한 쌍의 장측면 및 상대적으로 작은 단측면을 포함하는 다수의 배터리 셀들 및 배터리 셀을 수용하며, 배터리 셀의 상면을 노출시키고, 다수의 배터리 셀들의 단측면을 지지하기 위한 사이드 플레이트와 배터리 셀의 장측면을 지지하기 위한 양 끝단의 엔드 플레이트를 포함하는 셀 프레임을 포함하며, 엔드 플레이트는 양 끝단에서 배터리 셀의 장측면과 마주하는 방향의 반대 방향으로 돌출된 돌출부들과 돌출부들 사이에 배터리 셀의 장측면 방향으로 들어간 스웰링 여유 공간을 위한 함몰부를 포함하는 배터리 팩이 개시된다.

Description

배터리 팩
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 배터리 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 배터리 셀이 수십 개 연결되어 하나의 단위로 묶은 배터리 팩 또는 배터리 모듈 등과 같은 대용량 전지의 경우 전기 자전거, 전기 스쿠터, 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 사용되고 있다.
휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 전지의 출력과 용량으로 소정 시간 동안 작동이 가능하지만, 전력소모가 많은 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같이 장시간 구동, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량의 문제로 배터리 팩 또는 배터리 모듈이 선호되며, 내장된 배터리 셀의 개수를 증대시킴으로써 출력전압이나 출력 전류를 높일 수 있다. 이때, 상기 배터리 팩에서는 다수의 배터리 셀들을 구조적으로 결속하여 하나의 조립체로 형성하기 위한 결합 구조가 요구된다.
본 발명은 둘 이상 다수의 배터리 셀들을 조립하여 모듈화시키는 과정에서 배터리 셀들이 스웰링 현상을 일으킬 때 배터리 팩이 부풀어 올라도 전체적 크기에 영향을 미치지 않는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 한 쌍의 전극 단자가 인출되는 상면, 상기 상면과 마주보는 하면, 상기 상면과 하면을 연결하는 면들 중 상대적으로 면적이 큰 한 쌍의 장측면 및 상대적으로 작은 단측면을 포함하는 다수의 배터리 셀들 및 상기 배터리 셀을 수용하며, 상기 배터리 셀의 상면을 노출시키고, 상기 다수의 배터리 셀들의 단측면을 지지하기 위한 사이드 플레이트와 상기 배터리 셀의 장측면을 지지하기 위한 양 끝단의 엔드 플레이트를 포함하는 셀 프레임을 포함하며, 상기 엔드 플레이트는 양 끝단에서 상기 배터리 셀의 장측면과 마주하는 방향의 반대 방향으로 돌출된 돌출부들과 상기 돌출부들 사이에 상기 배터리 셀의 장측면 방향으로 들어간 스웰링 여유 공간을 위한 함몰부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 엔드 플레이트가 상기 돌출부 내부에 상기 배터리 팩을 외부 장치에 고정하기 위한 원기둥 형태의 지지부를 포함하고, 상기 지지부는 상기 배터리 셀과 인접한 위치에서 일부 영역이 절개되어 상기 배터리 셀의 장측면과 평행한 평면을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은 상기 엔드 플레이트의 함몰부가 동일 방향으로 여러 개 형성된 엠보싱 형태의 주름을 포함하며, 상기 배터리 팩 장측면에서 상기 엠보싱 형태의 주름의 최외곽 까지의 거리는 상기 배터리 팩 장측면에서 상기 돌출부의 최외곽 까지의 거리보다 가깝다.
바람직하게는, 상기 엔드 플레이트의 돌출부는 상기 사이드 플레이트 방향으로 연장 형성된 연장부를 포함하며, 상기 연장부는 상기 사이드 플레이트의 일부 영역과 중첩되고, 상기 중첩 영역은 상기 배터리 셀의 단측면 외측에 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 배터리 셀은 각형 이차 전지일 수 있으며, 제1 전극판, 제2 전극판 및 상기 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 형성된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체가 권취되어 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 셀 프레임은 상기 배터리 셀의 상면이 상부 방향으로 노출되도록 상기 배터리 셀의 하면이 상기 셀 프레임 바닥쪽과 마주하고, 상기 다수의 배터리 셀의 단측면들이 상기 셀 프레임의 사이드 플레이트와 마주하고, 상기 배터리 셀들 중 최외곽 배터리 셀의 장측면이 상기 셀 프레임의 엔드 플레이트와 마주하도록 상기 배터리 셀들을 수용하고, 상기 셀 프레임은 상기 배터리 셀들을 개별적으로 수용할 수 있도록 다수개의 격벽을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 배터리 셀이 스웰링 현상으로 부풀어 오를 때, 셀 프레임의 엔드 플레이트에 형성된 함몰부가 스웰링된 부피를 흡수할 수 있음으로써, 배터리 팩의 전체적 외곽 치수에는 변화가 없게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 배터리 팩의 사시도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 중 셀의 사시도, 단면도 및 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 엔드 플레이트의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 엔드 플레이트의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 돌출부 부근을 확대한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩과 기존의 배터리 팩의 배터리 셀 스웰링 현상 발생 시를 비교한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩 중 셀의 분해 사시도이다..
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 배터리 팩의 사시도이다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 중 셀의 사시도, 단면도 및 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 엔드 플레이트의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 엔드 플레이트의 단면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 돌출부 부근을 확대한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩과 기존의 배터리 팩의 배터리 셀 스웰링 현상 발생 시를 비교한 도면이다.
여기서, 도 1은 배터리 팩의 전반부만을 도시하였다. 즉, 실질적으로 배터리 팩은 전반부의 전면뿐만 아니라 후반부의 후면에도 본 발명의 실시예에 따른 셀 프레임의 구조가 적용될 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 다수의 배터리 셀(100) 및 상기 다수의 배터리 셀(100)을 감싸는 셀 프레임(200)을 포함한다.
상기 배터리 셀(100)은 케이스(110) 및 케이스(110)에 수용되는 전극 조립체(120)로 이루어질 수 있다. 본 발명에서는 상기 배터리 셀(100)이 각형 전지로 도시되었으나, 이것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 경우에 따라 파우치형 전지가 배터리 셀(100)로 이용될 수 있다. 즉, 여기에 설명되는 배터리 셀(100)은 본 발명의 이해를 위한 일례에 불과하며, 이러한 구조로 본 발명이 한정되지 않는다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(100)은 케이스(110), 전극 조립체(120), 캡 플레이트(130), 제1단자(140) 및 제2단자(150)를 포함할 수 있다.
케이스(110)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성되며, 전극 조립체(120)가 삽입 및 안착될 수 있는 개구부가 형성된 대략 속이 비어 있는 육면체 형태이다. 도 2b에서는, 케이스(110)와 캡 플레이트(130)가 상호간 결합된 상태로 도시되고 있으므로, 개구부가 도시되지 않았지만, 케이스(110)의 상부 부분이 실질적으로 개방된 부분이다. 한편, 케이스(110)의 내면은 절연 처리되어, 전극 조립체(120)와 절연될 수 있다. 여기서, 케이스(110)는 경우에 따라 캔으로 지칭되기도 한다.
더불어, 케이스(110)는 상호간 마주보며 일정 거리 이격된 제1,2장측면(111,112)과, 상호간 마주보며 일정 거리 이격되고 또한 제1,2장측면(111,112)에 연결된 제1,2단측면(113,114)과, 제1,2장측면(111,112) 및 제1,2단측면(113,114)을 하부에서 연결하는 하면(115)과, 제1,2장측면(111,112) 및 제1,2단측면(113,114)을 상부에서 연결하는 상면(130)을 포함한다. 여기서, 상면은 실질적으로 하기할 캡 플레이트(130)의 상면일 수 있다.
전극 조립체(120)는 얇은 판형 또는 막형으로 형성된 제1전극판(121), 분리막(122), 제2전극판(123)의 적층체가 권취되거나 겹쳐서 형성된다. 여기서, 제1전극판(121)은 양극 역할을 할 수 있으며, 제2전극판(123)은 음극 역할을 할 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
제1전극판(121)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 포일 또는 메시로 형성된 제1집전판(121a)과, 제1집전판(121a)에 전이금속산화물 등의 제1전기적 활물질이 코팅되어 형성된 제1코팅부(121b)와, 제1전기적 활물질이 코팅되지 않은 영역인 제1비코팅부(121c)(제1무지부)와, 제1비코팅부(121c)로부터 외측 방향(상부 방향)으로 연장되어 제1단자(140)에 전기적으로 연결된 제1집전탭(121d)을 포함한다. 여기서, 제1집전탭(121d)은 제1전극판(121)과 제1단자(140) 사이의 전류 통로가 된다.
제2전극판(123)은 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금과 같은 금속 포일 또는 메시로 형성된 제2집전판(123a)과, 제2집전판(123a)에 흑연 또는 탄소 등의 제2전기적 활물질이 코팅되어 형성된 제2코팅부(123b)와, 제2전기적 활물질이 코팅되지 않는 영역인 제2비코팅부(123c)(제2무지부)와, 제2비코팅부(123c)로부터 외측 방향(상부 방향)으로 연장되어 제2단자(150)에 전기적으로 연결된 제2집전탭(123d)을 포함한다. 여기서, 제2집전탭(123d)은 제2전극판(123)과 제2단자(150) 사이의 전류 통로가 된다.
분리막(122)은 제1전극판(121)과 제2전극판(123) 사이에 위치되어 상호간 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 발명에서 상기 분리막(122)의 재질이 한정되지 않는다.
한편, 이러한 전극 조립체(120)가 갖는 권취축은 제1,2단자(140,150)가 갖는 단자축에 대략 평행 또는 대략 수평하게 형성된다. 여기서, 권취축 및 단자축은 도 2b 및 도 2c에서 상,하 방향으로 형성된 축을 의미하며, 권취축 및 단자축이 대략 평행 또는 수평하다는 것은 권취축 및 단자축을 길게 늘여도 서로 만나지 않거나, 또는 아주 길게 늘일 경우 서로 만날 수 있음을 의미한다.
또한, 상술한 바와 같이 전극 조립체(120)와 제1단자(140) 사이에는 제1집전탭(121d)이 개재되고, 전극 조립체(120)와 제2단자(150)의 사이에는 제2집전탭(123d)이 개재된다. 즉, 제1집전탭(121d)은 전극 조립체(120)의 상단으로부터 제1단자(140)를 향하여 연장되어 접속 또는 용접된다. 또한, 제2집전탭(123d)은 전극 조립체(120)의 상단으로부터 제2단자(150)를 향하여 연장되어 접속 또는 용접된다.
실질적으로, 제1집전탭(121d)은 상술한 바와 같이 제1전극판(121) 중 제1활물질이 코팅되지 않은 제1비코팅부(121c) 자체이거나, 또는 제1비코팅부(121c)에 접속된 별도 부재일 수 있다. 여기서, 별도 부재의 재질은 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 하나일 수 있다.
또한, 제2집전탭(123d)은 제2전극판(123) 중 제2활물질이 코팅되지 않은 제2비코팅부(123c) 자체이거나, 또는 제2비코팅부(123c)에 접속된 별도의 부재일 수 있다. 여기서, 별도 부재의 재질은 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 하나일 수 있다.
이와 같이, 전극 조립체(120)가 갖는 권취축과 제1,2단자(140,150)가 갖는 단자축이 상호간 대략 평행 또는 수평하게 형성됨으로써, 전해액 주액 방향과 권취축 방향 역시 평행 또는 수평하게 형성되어, 전해액 주입 시 전극 조립체(120)의 전해액 함침성이 우수할 뿐만 아니라, 과충전 시 내부 가스가 안전벤트(136)로 신속하게 이동하여 안전벤트(136)를 빠르게 동작시킨다.
또한, 전극 조립체(120)가 갖는 제1,2집전탭(121d,123d)(비코팅부 자체 또는 별도 부재)이 제1,2단자(140,150)에 각각 직접 전기적으로 접속되어 전기적 경로가 짧아짐으로써, 배터리 셀(100)의 내부 저항이 감소할 뿐만 아니라 부품 개수도 감소한다.
이러한 전극 조립체(120)는 실질적으로 전해액과 함께 케이스(110)에 수납된다. 상기 전해액은 EC, PC, DEC, EMC, DMC와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
캡 플레이트(130)는 길이(장변(131)의 길이)와 폭(단변(132)의 폭)을 갖는 대략 직사각 형태로서, 케이스(110)에 결합된다. 즉, 캡 플레이트(130)는 케이스(110)의 개구를 밀봉하며, 케이스(110)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 캡 플레이트(130)는 레이저 및/또는 초음파 용접 방식으로 케이스(110)에 결합될 수 있다. 여기서, 캡 플레이트(130)는 경우에 따라 캡 조립체로 불리기도 한다.
캡 플레이트(130)는 전해액 주입구(133)를 막는 마개(134) 및 벤트홀(135)을 막는 안전벤트(136)를 포함한다. 더욱이, 안전벤트(136)는 설정된 압력에서 쉽게 개방될 수 있도록 노치(136a)를 더 포함한다.
또한, 캡 플레이트(130)는 전극 조립체(120)의 제1집전탭(121d)에 전기적으로 연결되는 퓨즈부(137) 및 제1단자(140)를 구속하는 단자 고정부(138)를 더 포함한다. 즉, 캡 플레이트(130)는 캡 플레이트(130)의 하부 방향으로 일정 길이 연장 및 돌출된 적어도 하나의 퓨즈부(137)(도면에는 2개가 도시됨)와, 캡 플레이트(130)의 상부 방향으로 일정 길이 연장 및 돌출된 적어도 하나의 단자 고정부(138)(도면에는 2개가 도시됨)를 포함한다.
여기서, 퓨즈부(137)는 캡 플레이트(130)의 폭 방향(y-y 방향)으로 대향되는 양측에 각각 형성되고, 또한 단자 고정부(138)는 캡 플레이트(130)의 길이 방향(x-x 방향)으로 대향되는 양측에 각각 형성된다.
제1단자(140)는 캡 플레이트(130)의 상면에 위치된 제1단자 플레이트(141), 캡 플레이트(130)의 하면에 위치된 제1절연 플레이트(142), 제1절연 플레이트(142)의 하면에 위치된 제1집전 플레이트(143)를 포함한다.
제1단자 플레이트(141)는 속이 꽉찬 대략 육면체 형태를 하며 단자 고정부(138)를 통하여 캡 플레이트(130)의 상면에 고정된다. 이를 위해, 단자 고정부(138)는, 예를 들면, 캡 플레이트(130)의 길이 방향(x-x 방향)을 따라 제1단자 플레이트(141)의 양측에 각각 형성되어 제1단자 플레이트(141)의 좌,우 측면을 구속한다. 더불어, 단자 고정부(138)는 제1단자 플레이트(141)에 레이저 또는 초음파 용접됨으로써, 단자 고정부(138)와 제1단자 플레이트(141)가 상호간 고정된다.
제1절연 플레이트(142)는 대략 육면체 형태를 하며, 캡 플레이트(130)의 하면으로부터 하부 방향을 통해 연장 및/또는 돌출된 퓨즈부(137)에 결합되어 있다. 이를 위해, 제1절연 플레이트(142)에는 퓨즈 관통홀(142a)이 형성되어 있다. 즉, 캡 플레이트(130)의 폭 방향(y-y 방향)을 따라 퓨즈부(137)가 형성되어 있는 데, 이와 대응되는 위치의 제1절연 플레이트(142)에 퓨즈 관통홀(142a)이 형성되고, 이러한 퓨즈 관통홀(142a)에 퓨즈부(137)가 결합되어 있다. 여기서, 퓨즈 관통홀(142a) 대신 퓨즈 관통 절개홈이 형성될 수도 있다.
제1집전 플레이트(143)는 대략 육면체 형태를 하며, 퓨즈부(137)에 결합되어 있다. 이를 위해, 제1집전 플레이트(143)에는 캡 플레이트(130)의 폭 방향(y-y 방향)을 따라 퓨즈 관통홀(143a)이 형성되어 있다. 퓨즈부(137)는 제1집전 플레이트(143)의 퓨즈 관통홀(143a)에 결합된 채 용접, 코킹 또는 리벳 등의 방식으로 고정된다. 여기서, 퓨즈 관통홀(143a) 대신 퓨즈 관통 절개홈이 형성될 수도 있다.
더불어, 제1집전 플레이트(143)에는 전극 조립체(120)로부터 연장된 제1집전탭(121d)이 연결된다. 즉, 제1집전탭(121d)이 제1집전 플레이트(143)에 레이저 또는 초음파 용접된다. 여기서, 제1집전 플레이트(143) 및 제1집전탭(121d)은 모두 알루미늄 또는 알루미늄 합금이므로, 상호간 전기적/기계적 접속이 용이하다.
이와 같이 하여, 전극 조립체(120)의 제1집전탭(121d), 캡 플레이트(130)(케이스(110) 포함) 및 제1단자(140)는 동일한 극성을 갖게 된다. 즉, 전극 조립체(120)의 제1집전탭(121d), 제1단자(140)의 제1집전 플레이트(143), 캡 플레이트(130)의 퓨즈부(137), 캡 플레이트(130) 및 제1단자(140)의 제1단자 플레이트(141)가 전기적으로 상호간 연결되어 있음으로써, 이들은 모두 동일한 극성을 갖게 된다.
여기서, 상술한 바와 같이 캡 플레이트(130) 및 퓨즈부(137) 뿐만 아니라 제1집전 플레이트(143) 및 제1단자 플레이트(141) 역시 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다.
이와 같이 하여, 배터리 팩(100)의 외부 단락 시 단락 전류는 전극 조립체(120)로부터 제1집전탭(121d), 제1단자(140)의 제1집전 플레이트(143), 캡 플레이트(130)의 퓨즈부(137), 캡 플레이트(130) 및 제1단자(140)의 제1단자 플레이트(141)를 통해 흐르게 되는데, 이때 퓨즈부(137)의 단면적이 상대적으로 가장 작게 형성되어 있음으로써, 단락 전류에 의해 캡 플레이트(130)에 형성된 퓨즈부(137)가 용융되어 끊어지게 되고, 이에 따라 배터리 팩(100)의 안전성이 확보된다. 더욱이, 퓨즈부(137)는 대부분 제1절연 플레이트(142)의 퓨즈 관통홀(142a)에 결합되어 외부로 노출되지 않음으로써, 퓨즈부(137)의 용융/절단 시 불꽃이나 아크 등이 제1절연 플레이트(142)의 외부로 영향을 끼치지 않게 된다. 따라서, 퓨즈부(137)의 용융/절단 시에도 배터리 팩(100)의 내부 공간은 안정적인 상태를 유지하게 된다.
또한, 배터리 팩(100)의 과충전 시 과충전 전류는 제1단자(140)의 제1단자 플레이트(141), 캡 플레이트(130), 캡 플레이트(130)의 퓨즈부(137), 제1집전 플레이트(143) 및 제1집전탭(121d)을 통해 전극 조립체(120)에 공급되고, 이에 따라 캡 플레이트(130)에 형성된 퓨즈부(137)가 용융되어 끊어짐으로써, 배터리 팩(100)의 안전성이 확보된다.
제2단자(150)는 캡 플레이트(130)의 상면에 위치된 제2단자 플레이트(151), 캡 플레이트(130)의 하면에 위치된 제2절연 플레이트(152), 제2절연 플레이트(152)의 하면에 위치된 제2집전 플레이트(153) 및 제2집전 플레이트(153)로부터 캡 플레이트(130)를 관통하여 제2단자 플레이트(151)에 고정된 집전 기둥(154)을 포함한다. 또한, 제2단자(150)는 제2단자 플레이트(151) 및 집전 기둥(154)과, 캡 플레이트(130) 사이에 개재된 상부 절연 플레이트(155)를 포함한다. 더욱이, 제2단자(150)는 제2집전 플레이트(153) 및 집전 기둥(154)과, 캡 플레이트(130) 사이에 개재된 시일 가스켓(156)을 포함한다.
실질적으로, 제2집전 플레이트(153)와 제2집전 기둥(154)은 일체로 형성되며, 제2집전 플레이트(153)에 제2집전탭(123d)이 연결된다. 이러한 제2집전 플레이트(153)와 제2집전 기둥(154)은 구리 또는 구리 합금으로 이루어지며, 따라서, 제2집전 플레이트(153)에는 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어진 제2집전탭(123d)이 용이하게 전기적/기계적으로 접속된다.
제2단자 플레이트(151) 역시 캡 플레이트(130) 위에 위치되며, 홀(151a)을 갖는다. 또한, 이러한 홀(151a)에 집전 기둥(154)이 결합되고 용접된다. 예를 들면, 레이저 빔이 상부로 노출된 집전 기둥(154)과 제2단자 플레이트(151)의 경계 영역에 제공됨으로써, 상기 경계 영역이 상호간 용융된 후 냉각되어 용접될 수 있다.
계속해서, 상기 셀 프레임(200)은 상기 배터리 셀(100)의 상면(130), 하면(115), 제1단측면(113) 및 제2단측면(114)을 감싸도록 형성된다. 여기서, 상기 배터리 셀(100)은 상면(130)이 상부 방향으로 노출된 채로 셀 프레임(200)에 수용된다.
즉, 상기 셀 프레임(200)은 상기 배터리 팩(100)의 하면(115), 제1단측면(113) 및 제 2 단측면(114)을 감싸 수용하는 형태로 구성된다. 구체적으로 셀 프레임(200)은 다수의 배터리 셀(100)의 제1 및 제2단측면(113,114)를 지지하기 위한 한쌍의 사이드 플레이트(201)와, 배터리 셀의 제1,2장측면(111,112)를 지지하기 위한 한쌍의 엔드 플레이트(202)를 포함한다. 도 1에서는 전방의 엔드 플레이트(202)만이 도시되어 있다.
즉, 도 1을 참조하면, 배터리 셀(100)은 셀 프레임(200)의 하단면과 그 하면(115)이 맞닿고, 상면은 셀 프레임(200)의 개구를 통해 외부로 노출된다. 이에 따라 배터리 셀(100)은 셀 프레임(200)의 안으로 쉽고 빠르게 삽입하거나 빼낼 수 있다. 셀 프레임(200)의 엔드 플레이트(202)는 대략 평판 형태로 형성되고, 셀 프레임(200)의 양 쪽에 배터리 셀(100)들을 한꺼번에 지지하도록 사이드 플레이트(201)와 결합된다. 엔드 플레이트(202)와 사이드 플레이트(201)는 레이저 용접 등의 용접 결합이나, 볼트 결합으로 체결될 수 있다. 그러나 본 발명은 이러한 결합 방법으로 한정되는 것은 아니다.
아울러, 엔드 플레이트(202)는 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(100)의 상면(130) 방향에서 바라보았을 때, 양 끝단에서 배터리 셀(100)의 장측면(111, 112)과 마주보는 방향의 반대 방향으로, 즉 셀 프레임(200)의 외측 방향으로 돌출된 대략 기둥 형태의 돌출부(203)를 더 포함한다. 이 돌출부(203)의 단면 형태는 원형이나 사각형 형상일 수도 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 배터리 셀 방향의 한 면이 개방된 사각형 형태일 수도 있다. 그러나 돌출부(203)의 형태는 이 외에도 다양한 형태를 가질 수 있다.
또한 엔드 플레이트(202)는 양측의 돌출부(203) 사이에 배터리 셀(100)의 장측면(111,112) 방향으로 일정 깊이 또는 일정 길이 들어간 함몰부(204)를 더 포함한다. 이 함몰부(204)는 돌출부(203)의 최외각 면을 기준으로 배터리 셀(100) 쪽으로 들어간 형상을 가지며, 이에 따라 엔드 플레이트(202)의 전체적인 형상은 도 3에 도시된 바와 같이 ∩ 자 형태를 가질 수 있다. 이 함몰부(204)는 배터리 셀(100)의 스웰링 현상 발생 시 여유 공간이 된다.
도 3을 참조하면, 함몰부(204)는 배터리 팩의 외곽 치수에서 거리 L1만큼 내측으로 들어간 형태를 갖기에 배터리 셀(100)은 셀의 장측면 방향으로 거리 L1만큼의 스웰링 공간을 확보할 수 있게 된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀(100)의 스웰링 시 장측면 방향으로 거리 L1 정도의 스웰링 공간이 있어 배터리 셀의 장측면이 부풀더라도 배터리 팩 모듈의 외곽 치수에는 영향을 주지 않는다.
도 5를 참조하면, 엔드 플레이트(202) 중에서 돌출부(203)의 내부 중앙에는 배터리 팩을 외부 장치 등에 고정하기 위한 지지부(205)를 포함한다.
이 지지부(205)는 나사산을 포함하는 볼트 구조를 그 하부에 포함할 수 있으며, 엔드 플레이트(202)의 강성을 유지하기 위해 소정의 지름을 갖는 원 기둥 형상인 것이 바람직하다.
한편 도 5를 다시 참조하면, 이 지지부(205)는 배터리 셀(100)과 인접한 위치에 일부 영역이 절개되어 배터리 셀(100)의 장측면과 평행한 평면을 가질 수 있다. 이를 통해 지지부(205)의 배터리 셀(100)과의 가장 가까운 단면은 절개된 평평한 표면이 되며, 지지부(205)가 절개 영역이 없는 원형 형태보다 배터리 셀(100)의 장측면과의 거리가 더 멀어져 도 5에서와 같이 L2의 여유 거리를 둘 수 있게 된다.
이에 따라 배터리 셀(100)에 스웰링 현상이 발생해도 배터리 셀(100)의 장측면 끝단 부위에서의 여유 공간이 L2 거리 정도가 생기게 된다.
더불어 도면에서는 지지부(205)가 속이 꽉찬 솔리드 형태로 도시되어 있으나, 일례로 속이 비어 있는 파이프 형태일 수도 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 엔드 플레이트(202)의 함몰부(204)는 동일 방향으로 여러 개 형성된 엠보싱 형태의 주름을 포함한다. 이 주름은 엔드 플레이트(202)의 측면 강성을 유지하기 위한 구성이며, 엔드 플레이트(202)의 돌출부(203), 지지부(205)과 함께 엠보싱 주름이 소정의 두께를 형성하여 엔드 플레이트(202)를 지지하는 기능을 한다. 이때, 엠보싱 주름의 형성 방향은 돌출부(203), 지지부(205)와 서로 수직인 방향인 것이 바람직할 것이다. 그리고 함몰부(204)의 엠보싱 주름의 외곽 치수, 또는 배터리 팩의 장측면에서 엠보싱 주름의 최외곽까지의 거리는, 엔드 플레이트(202) 중에서 돌출부(203)의 외곽 치수, 또는 배터리 팩의 장측면에서 엔드 플레이트 돌출부(203)의 최외곽까지의 거리보다 짧은 것이 바람직하며, 이 차이는 도 3이나 도 4에 도시된 바와 같이 스웰링 여유 공간이 되는 거리인 L1인 것이 바람직하다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 엔드 플레이트(202)의 돌출부(203)는 사이드 플레이트(201)의 방향으로 연장 형성된 연장부를 포함할 수 있다. 그리고 이 연장부는 사이드 플레이트의 일부 영역, 바람직하게는 사이드 플레이트의 끝단과 중첩되어 결합될 수 있다. 돌출부(203)의 연장부는 사이드 플레이트 끝단과 볼트 결합될 수도 있으며 레이저 용접 등의 용접 결합될 수도 있을 것이다.
도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에서, 돌출부(203)의 연장부와 사이드 플레이트(201)의 끝단이 중첩 및 결합되는 부위는 돌출부(203)의 외측에서 이루어진다.
한편, 도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서는, 돌출부(203)의 연장부와 사이드 플레이트(201)의 끝단이 중첩 및 결합되는 부위는 배터리 셀(100)의 단측면 외측에서 이루어진다.
그리고 셀 프레임(200)은 배터리 셀(100)들을 개별적으로 수납하도록 그 내부에 배터리 셀(100)을 분리시켜 고정하기 위한 내부 격벽(206)을 더 포함할 수 도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩과 기존의 배터리 팩의 배터리 셀 스웰링 현상 발생 시를 비교한 도면이다.
도 6a는 배터리 셀 스웰링 현상 발생시의 기존의 배터리 팩의 변형 모습을 나타낸다. 도 6a를 참조하면, 엔드 플레이트에 함몰부가 없으면 배터리 셀에 스웰링 현상이 일어나면 엔드 플레이트도 같은 부피만큼 외부로 밀려나게 된다. 그러면 배터리 팩의 외곽 수치가 스웰링으로 부풀어 오른 만큼 커지게 되는 문제가 있다.
도 6b는 배터리 셀 스웰링 현상 발생시 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 변형 모습을 나타낸다. 도 6b를 참조하면 배터리 셀이 스웰링 현상으로 장측면 방향으로 부풀어 엔드 플레이트도 동일한 부피만큼 외부로 밀려나게 되더라도, 본 발명의 엔드 플레이트에 있는 여유 공간이 밀려난 부피를 흡수하여, 배터리 팩의 외곽 수치에는 변형이 없게 된다.
상기와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀이 스웰링 현상으로 부풀어도 엔드 플레이트에 형성된 여유 공간으로 배터리 팩의 외곽 수치 이상으로 플레이트들이 밀려나지 않아 외곽 수치에 변형이 없어, 배터리 팩을 안정적으로 사용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩 중 셀의 분해 사시도이다. 즉, 도 7은 배터리 셀(300)로서 파우치형 전지를 도시한 것이다.
배터리 셀(300)은 전극 조립체(310) 및 전극 조립체(310)를 수용하는 케이스(파우치)(320)로 이루어질 수 있다. 상기 전극 조립체(310)는 제1 전극판(311)과 제2 전극판(312) 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터(313)가 적층 또는 권취되어 형성된다. 여기서 상기 제1 전극판(311)은 양극일 수 있고, 상기 제2 전극판(312)은 음극일 수 있다. 물론, 반대의 경우도 가능하다.
상기 제1 전극판(311)이 양극일 경우, 상기 제1 전극판(311)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일로 이루어진 제1 집전체의 양면에 제1 활물질층을 코팅하여 형성된다. 상기 제1 전극판(311)의 제1 활물질층이 형성되지 않은 제1 무지부에는 제1 전극 탭(314)이 형성된다. 상기 제1 전극 탭(314)의 일단은 제1 무지부에 전기적으로 연결되며, 타단은 상기 케이스(320)의 외부로 인출된다. 또한, 상기 제1 전극 탭(314)의 상기 케이스(320)와 접촉하는 영역에는 절연을 위한 절연 테이프(316)가 부착된다.
상기 제2 전극판(312)이 음극일 경우, 상기 제2 전극판(312)은 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 제2 집전체의 양면에 제2 활물질층을 코팅하여 형성된다. 상기 제2 집전체에 제2 활물질층이 형성되지 않은 제2 무지부에는 제2 전극 탭(315)이 형성된다. 상기 제2 상기 제2 전극 탭(315)의 일단은 제2 무지부에 전기적으로 연결되며, 타단은 상기 케이스(320)의 외부로 인출된다. 또한, 상기 제2 전극 탭(315)의 상기 케이스(320)와 접촉하는 영역에는 절연을 위한 절연 테이프(317)가 부착된다.
상기 세퍼레이터(313)는 상기 제1 전극판(311)과 제2 전극판(312) 사이에 개재되어 상기 제1, 2 전극판(311, 312) 사이의 단락을 방지한다.
상기 케이스(320)는 일체로 형성된 직방형의 파우치막을 한 변의 길이 방향을 기준으로 중간을 절곡하여 상부 케이스(321)와 하부 케이스(322)를 이루도록 한다. 그리고 상기 하부 케이스(322)에는 프레스(press) 가공 등을 통해 전극 조립체(310)가 수용될 홈(323)이 형성된다. 또한, 상기 하부 케이스(322)에는 상기 상부 케이스(321)가 일체로 접하여 잇는 일변을 제외하고는 상기 홈(323)의 3변을 따라 상기 상부 케이스(321)와의 실링을 위한 양측 실링부(322a) 및 일측 실링부(322b)가 형성된다.
상기 전극 조립체(310)가 상부 하부 케이스(322)의 홈(323)에 수용된 후, 상기 하부 케이스(322)와 상부 케이스(321)를 밀착시킨 상태에서 상기 실링부(322a)와 상기 실링부(322b)를 열융착하여 케이스(320)를 실링한다. 그리고 상기 배터리 셀(300)의 제1, 2 전극탭(314, 315)이 돌출되는 실링부(322b)를 제외한 측면 실링부(322a)는 상기 하부 케이스(322)의 측면을 항하여 접히게 된다.
한편, 상기 배터리 셀(300)은 상기 제1, 2 전극탭(314, 315)이 인출되는 상면(300a), 상기 상면(300a)과 마주보는 하면(300b), 상기 상면(300a)과 하면(300b)을 연결하는 면들 중 상대적으로 면적이 큰 한 쌍의 제1, 2 장측면(300c, 300d) 및 상대적으로 면적이 작은 한 쌍의 제1, 2 단측면(300e, 300f)을 포함한다.
상술한 셀 프레임(200)은 상기 배터리 셀(300)의 상면(300a), 하면(300b), 제1 단측면(300e) 및 제2 단측면(300f)을 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 배터리 셀(300)은 상면(300a)이 상부 방향으로 노출된 채로 셀 프레임(300)에 수용될 수 있다. 즉, 상기 셀 프레임(200)은 상기 배터리 팩(300)의 하면(300b), 제1 단측면(300e) 및 제 2 단측면(300f)을 감싸 수용하는 형태로 구성될 수 있다. 구체적으로 셀 프레임(200)은 다수의 배터리 셀(300)들의 제1 및 제2 단측면(300e, 300f)를 지지하기 위한 사이드 플레이트(201)와, 배 터리셀의 제1, 2 장측면(300c, 300d)를 지지하기 위한 엔드 플레이트(202)를 포함할 수 있다. 나머지 배터리 셀과 셀 프레임 사이의 상호 유기적 결합 관계는 상술한 바와 유사하므로 추가적인 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100 ; 배터리 셀
200 ; 셀 프레임 201 ; 사이드 플레이트
202 ; 엔드 플레이트 203 ; 돌출부
204 ; 함몰부 205 ; 지지부

Claims (10)

  1. 한 쌍의 전극 단자가 인출되는 상면, 상기 상면과 마주보는 하면, 상기 상면과 하면을 연결하는 면들 중 상대적으로 면적이 큰 한 쌍의 장측면 및 상대적으로 작은 단측면을 포함하는 다수의 배터리 셀들; 및
    상기 배터리 셀을 수용하며, 상기 배터리 셀의 상면을 노출시키고, 상기 다수의 배터리 셀들의 단측면을 지지하기 위한 사이드 플레이트와 상기 배터리 셀의 장측면을 지지하기 위한 양 끝단의 엔드 플레이트를 포함하는 셀 프레임;
    을 포함하며,
    상기 엔드 플레이트는 양 끝단에서 상기 배터리 셀의 장측면과 마주하는 방향의 반대 방향으로 돌출된 돌출부들과 상기 돌출부들 사이에 상기 배터리 셀의 장측면 방향으로 들어간 스웰링 여유 공간을 위한 함몰부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트는 상기 돌출부 내부에 상기 배터리 팩을 외부 장치에 고정하기 위한 원기둥 형태의 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 배터리 셀과 인접한 위치에서 일부 영역이 절개되어 상기 배터리 셀의 장측면과 평행한 평면을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트의 함몰부는 동일 방향으로 여러 개 형성된 엠보싱 형태의 주름을 포함하며, 상기 배터리 팩 장측면에서 상기 엠보싱 형태의 주름의 최외곽 까지의 거리는 상기 배터리 팩 장측면에서 상기 돌출부의 최외곽 까지의 거리보다 가까운 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트의 돌출부는 상기 사이드 플레이트 방향으로 연장 형성된 연장부를 포함하며, 상기 연장부는 상기 사이드 플레이트의 일부 영역과 중첩되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트의 연장부와 상기 사이드 플레이트와의 중첩 영역은 상기 배터리 셀의 단측면 외측에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 각형 이차 전지인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 제1 전극판, 제2 전극판 및 상기 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 형성된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체가 권취되어 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 프레임은 상기 배터리 셀의 상면이 상부 방향으로 노출되도록 상기 배터리 셀의 하면이 상기 셀 프레임 바닥쪽과 마주하고, 상기 다수의 배터리 셀의 단측면들이 상기 셀 프레임의 사이드 플레이트와 마주하고, 상기 배터리 셀들 중 최외곽 배터리 셀의 장측면이 상기 셀 프레임의 엔드 플레이트와 마주하도록 상기 배터리 셀들을 수용하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 셀 프레임은 상기 배터리 셀들을 개별적으로 수용할 수 있도록 다수개의 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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