KR102520061B1 - 자석을 포함하는 가압 지그 및 이를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지셀의 가압을 수행하는, 가압 지그로서,
상기 가압 지그는,
복수의 전지셀들 최외곽, 및 그들 사이에 위치하여 복수의 전지셀들이 내장되는 공간을 분리하고, 복수의 전지셀들에 대해 가압을 수행하는 복수의 가압판들; 및 상기 복수의 가압판들의 상부 및 하부에서 상기 가압판들을 서로 연결하는 가압 프레임들;을 포함하는 가압부, 및
상기 복수의 가압판들 모두, 또는 일측 최외곽에 위치하는 하나의 가압판만을 제외한 나머지 가압판들은, 상기 가압 프레임들에 연결된 채로 가압 방향과 수평방향으로 이동 가능하며,
상기 복수의 가압판들 중 양측 최외곽에 위치하는 한쌍의 가압판들에는, 서로 반대 극성이 마주보는 형태로 자석이 포함되는, 가압 지그, 및 상기 가압 지그에 복수의 전지셀들이 내장된 상태로 모듈 케이스에 삽입되어 있는 전지 모듈을 제공한다.

Description

자석을 포함하는 가압 지그 및 이를 포함하는 전지모듈 {Pressing Jig Comprising Magnet And Battery Module Comprising the Same}
본 발명은 자석을 포함하는 가압 지그 및 이를 포함하는 전지모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 전지라고 하면 적어도 한 세트의 단자 사이에서 전위를 공급하는 전기 화학적 전지(electrochemical cell) 및 전지들의 집합을 포함하는 장치를 의미한다. 전지의 단자들은 전기적으로, 예를 들면 직류 부하에 접속되어 그 부하에 에너지 즉 전압을 제공할 수 있다. 전지는 건전지, 습전지(예를 들면, 납-산(lead-acid)전지), 및 일반적으로 화학적으로 이용 가능한 기전력을 전류로 변환하는 기타 장치를 포함한다.
이러한 전지 중에서 이차 전지는 양극판/세퍼레이터/음극판의 3단층 구조 또는 양극판/세퍼레이터/음극판/세퍼레이터/양극판의 5단층 이상의 다층 구조로 된 전극조립체를 만들고, 이러한 전극조립체를 파우치에 수용하여 제작되는데, 이러한 이차 전지를 파우치형 이차 전지라 하기도 한다.
이차 전지의 특성은 사용 후 재충전될 수 있고, 그 용량이 무한정은 아니지만 어느 정도까지 방전 처리를 역으로 행함으로써 동일 전지의 반복적인 사용이 가능하다는 것이다. 다시 말해, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 핸드폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 기존의 납 축전지와, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차 전지와 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지에 사용되는 양극 활물질으로는 리튬계 산화물, 음극 활물질으로는 탄소재를 사용하고 있다. 이러한 활물질을 이용하여 양극 활물질이 형성된 양극 집전체에 양극탭이 구비된 양극판, 음극 활물질이 형성된 음극 집전체에 음극탭이 구비된 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 있는 세퍼레이터를 적층함으로써 소정 면적의 전극 조립체를 제조하고, 이러한 전극 조립체를 파우치에 수용하여 파우치의 일측 개방부를 통해 파우치 내부에 전해액을 주입하고 개방부를 밀봉후, 충방전, 에이징(aging) 공정 및 가스 제거 공정(degas 공정)때 가스가 포집된 파우치면의 일부를 제거하는 공정을 포함하는 활성화 공정을 진행하여 파우치형 전지셀의 제조를 완료하게 된다.
한편, 파우치형 전지셀의 파우치 내부에 전해액이 채워지면, 파우치 자체의 양면 부분이 외부로 볼록하게 되므로, 전지의 용량을 높이기 위해 전지셀의 파우치 양면 부분을 눌러주는 가압 작업이 필요하다. 다시 말해, 전지셀의 파우치 내부에 충진된 전해액이 고르게 퍼져야 전지의 용량이 커질 수 있으므로, 전해액을 고르게 퍼지도록 전지셀의 가압 작업이 필요하다.
또한, 상기 가압으로 전지셀 내부의 전극 조립체 각 구성요소들의 간극이 최대한 콤팩트하게 밀착되어 전지의 용량이 커질 수 있게 되며, 이후 충방전 과정에서 발생하는 리튬 덴드라이트의 성장 억제도 가능한 바, 수명성능도 우수해진다. 이는, 특히 리튬 금속을 음극 활물질로서 사용하는 리튬 금속 전지에서 더욱 도드라지게 나타난다.
한편, 이러한 전지셀의 가압을 위해서는, 가압 지그를 이용하여 전지셀을 가압하여 왔다.
그러나, 단순히 기계적 압력에 따른 가압에는 한계가 있으며, 이에, 용량 및 수명 성능 향상에 한계가 있어왔다.
따라서, 전지셀들을 보다 효과적으로 가압하여 가압력을 높임으로써, 더욱 우수한 성능을 발휘할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전지셀들에 기계적 가압력을 행하는 가압 지그에 자석을 포함시킴으로써, 전지셀들에 부가되는 가압력을 더욱 향상시키고, 보다 균일한 가압력을 제공함으로써 전지 성능을 개선시키는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명은,
전지셀의 가압을 수행하는, 가압 지그로서,
복수의 전지셀들 최외곽, 및 그들 사이에 위치하여 복수의 전지셀들이 내장되는 공간을 분리하고, 복수의 전지셀들에 대해 가압을 수행하는 복수의 가압판들; 및 상기 복수의 가압판들의 상부 및 하부에서 상기 가압판들을 서로 연결하는 가압 프레임들;을 포함하는 가압부, 및
상기 복수의 가압판들 모두, 또는 일측 최외곽에 위치하는 하나의 가압판만을 제외한 나머지 가압판들은, 상기 가압 프레임들에 연결된 채로 가압 방향과 수평방향으로 이동 가능하며,
상기 복수의 가압판들 중 양측 최외곽에 위치하는 한쌍의 가압판들에는, 서로 반대 극성이 마주보는 형태로 자석이 포함되는, 가압 지그를 제공한다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 가압부가 가압 지그에 내장되는 복수의 전지셀들을 지지하면서도 가압하는 역할을 동시에 수행한다.
이와 같은 구조에 의해 본 발명에 있어서, 가압 지그는 복수의 전지셀들에 기계적 가압을 수행할 수 있으면서도, 부피를 최소화할 수 있다.
이와 달리 가압판들과 별개로 지지 부재를 포함해야 되면 그 만큼 부피가 증가하는 바, 바람직하지 않다.
따라서, 상기 가압부에서, 상기 복수의 가압판들은 전지셀들이 내장되는 공간을 분리하면서, 전지셀들이 외부로 노출되지 않도록 최외곽에 존재하여야 하므로, 복수의 가압판들의 개수는, 복수의 전지셀들의 개수보다 항상 하나 더 많다.
또한, 상기 기능을 수행하기 위해, 가압판들의 적어도 일부는 이동이 가능해야 하며, 이때 상기 가압부를 이동시키는 구동부의 위치에 따라서, 상기 가압판들 중 이동 가능한 가압판들이 정해질 수 있다.
예를 들어, 구동부가 양측에 위치하여 최외곽에 위치하는 한쌍의 가압판들을 서로 마주보는 방향으로 양측에서 가압하도록 형성되어 있는 경우, 모든 가압판들은 가압 방향과 수평 방향으로 이동 가능할 수 있다.
반면, 구동부가 한쪽에 위치하여 일방향으로 전지셀들을 가압하도록 형성되어 있는 경우에는, 가압력이 전달되기 위해 구동부가 위치하는 반대쪽 일측의 최외곽 가압판은 고정되어야 한다. 따라서, 이 경우, 모든 가압판들이 이동 가능하면서 일측 최외곽 가압판은 임의로 고정되는 구조일 수도 있고, 일측 최외곽 가압판은 이동 불가한 형태일 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 가압 지그에서 복수의 가압판들은 모두, 또는 일측 최외곽에 위치하는 하나의 가압판을 제외한 나머지 가압판들이 이동가능한 형태일 수 있다.
또한, 상기 가압판들은, 전지셀들 전체에 균일한 가압력을 가할 수 있도록 굴곡이 없고 전지셀들의 형상에 대응하는 판 형상일 수 있고, 일정한 강성을 갖는 재질 및 소정의 두께로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 가압부는 복수의 전지셀들을 내장할 수 있으면서도, 상기 복수의 가압판들을 지지, 연결시키는 가압 프레임들을 더 포함한다.
상기 가압 프레임은, 복수의 가압판들을 견고히 하기 위해, 복수의 가압판들의 상부 및 하부에서 가압판들을 연결하는 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 가압 프레임들은 전지셀들이 내장되었을 때, 전지셀들의 전극 단자가 돌출되는 방향에 위치하는 상부 가압 프레임 및 상기 상부 가압 프레임과 평행하고, 전극 단자가 돌출되는 방향과 반대 방향에 위치하는 하부 가압 프레임을 포함할 수 있다.
상기와 같이 상부 베이스 프레임 및 하부 베이스 프레임을 포함함으로써, 가압판들이 전체적으로 구동부로부터 힘을 받을 수 있다.
여기서, 상기 상부 및 하부는 전극 단자 돌출 방향을 기준으로 전극 단자가 돌출된 방향을 상부, 전극 단자가 돌출된 방향의 반대 방향을 하부라 지칭한다.
상기 상부 가압 프레임 및 하부 가압 프레임의 형상은 가압판들을 연결시키는 구조라면 한정되지 아니하나, 상기 상부 가압 프레임은 내장될 전지셀들의 전극 단자가 돌출된 방향에 위치하므로, 이후 전극 단자들끼리의 전기적 연결을 원활히 수행할 수 있도록 전극 단자들이 위치하는 부위가 개방된 형태를 가지는 것이 보다 바람직하다.
따라서, 상기 상부 가압 프레임은 서로 평행한 구조의 둘 이상의 바(bar) 형상으로 이루어질 수 있고, 이러한 바(bar)들 사이에서 이후 내장될 전지셀들의 전극 단자가 노출될 수 있다.
반면, 하부 가압 프레임은, 가압판들과 함께 전지셀들을 내장할 수 있는 공간을 이루어야 하므로, 전지셀들이 안정적으로 안착될 수 있도록 하나의 판(plate) 형상으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 가압 지그가 이후 전지셀들이 내장된 상태에서 컴팩트한 구조를 가지면서도 양측 최외곽에 위치하는 한쌍의 가압판들 사이에서 전지셀들의 가압이 이루어져야 하므로, 가압판들은 가압 프레임들에 연결된 채로 가압 방향과 수평방향으로 이동이 가능해야 한다.
따라서, 상기 가압 프레임들에는 상기 가압판들이 이동가능하게 하기 위한 특정한 부재, 또는 장치가 형성되어 있을 수 있으며, 하나의 예로서, 레일 같은 구조가 형성되어 있을 수 있다. 물론, 가압판들의 이동 및 고정이 가능한 구조라면 한정되지 아니한다.
상기 구동부는 상기에서 설명한 가압부를 이동시킬 수 있는 구조라면 한정되지 아니한다. 예를 들어, 상기 구동부는 일측 또는 양측에 존재할 수 있으며, 일측 또는 양측 최외곽에 존재하는 가압판에 연결된 구조일 수 있고, 그 형태는 가압판 또는 가압봉 형태로, 한정되지 아니한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 상기 구동부가 일측에 형성된 구조라면, 구동부가 형성된 방향의 반대쪽 최외곽 가압판은 고정되어야 하며, 구동부가 양측에 형성된 구조라면, 모든 가압판들이 이동가능한 구조일 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 가압 지그는, 서로 반대 극성이 마주보는 형태로 가압판들에 자석을 포함하여, 전지셀에 대하여 구동부에 의한 가압부의 이동에 따른 기계적 가압과, 이와는 별개로, 서로 다른 극성을 가지는 자석의 자성에 의해서도 전지셀들의 가압을 동시에 이룰 수 있는 구조를 가진다.
구체적으로, 본 발명에 따르면, 상기 복수의 가압판들 중 양측 최외곽에 위치하는 한쌍의 가압판들에는 서로 반대 극성이 마주보는 형태로 자석이 포함될 수 있다.
또한, 상기 모든 가압판들에 서로 반대 극성이 마주보는 형태로 자석이 포함될 수 있다.
즉, 양측 최외곽에만 포함될 수도 있고, 전체적으로 모든 가압판들에 포함될 수도 있으나, 이때 자석은 서로 반대 극성이 마주보는 형태로 포함될 수 있다.
여기서 마주 보는 형태란, 일측에 N/S의 형태로 포함되어 있을 때, 타측은 N/S 형태로 포함되어, 일측의 S와 타측의 N이 마주보는 형태가 되는 것이다.
따라서, 상기 자석을 포함하는 가압판들 사이에서 내장되는 복수의 전지셀들에 상기 반대 극성의 자석에 의한 인력을 가할 수 있으므로, 자성에 의한 가압이 동시에 이루어질 수 있다.
본 출원의 발명자들은 이와 같이 기계적 가압 외에 자성에 의한 가압이 동시에 이루어지는 경우에는 보다 전지셀들에 대한 가압력을 높일 수 있는 바, 전극을 이루는 구성요소들의 견고한 결합, 가스 발생 및 리튬 덴드라이트 성장의 억제 등으로 더욱 우수한 전지 성능을 발휘하는 것을 확인하였다.
이때, 자석이 포함되는 형태는 한정되지 아니하고, 예를 들어, 가압판들의 일부 또는 전부가 자석으로 이루어질 수도 있고, 상기 전지셀들과 대면하는 가압판들의 내면 또는 양면에 자석이 부착되어 있을 수도 있다. 상세하게는 최외곽의 가압판들에는 가압판들의 내면에, 중간 위치의 가압판들에는 양면에 부착될 수 있다.
이때, 상기 자석의 포함 면적은 한정되지 아니하나, 전지셀 전체에 가압력을 적용하여, 전지셀 내부에서 가압력의 편차가 없도록 하기 위해, 내장될 전지셀의 면적과 동일하거나, 그 보다 큰 것이 바람직하다.
이러한 구조에서, 상기 자성에 의한 가압력은, 가압판들에 포함되는 서로 다른 극성의 자석의 가우스에 의해 결정될 수 있다.
상기와 같이 자석이 포함되는 경우에는 조금이라도 자성에 의한 가압력이 생기지만, 자성에 의한 가압은 기계적 가압과 동시에 수행되는 바, 자성에 의한 가압력의 추가 적용 효과를 최대화 시키기 위해서는, 상기 가우스가 2000 가우스 이상, 또는 3000 가우스 이상 그리고, 7000 가우스 이하, 6000 가우스 이하, 또는 5000 가우스 이하인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 또한, 복수의 전지셀들이 상기 가압 지그에 내장되어 가압된 상태로 모듈 케이스에 삽입되어 있는, 전지 모듈을 제공한다.
즉, 상기 가압 지그가 전체적으로 전지모듈에 삽입되어, 전지 모듈을 작동하는 중에도 전지셀에 대한 가압이 계속 지속될 수 있다.
이때, 가압 지그에 내장되는 전지셀들은, 얇은 판 형상일 수 있고, 그 종류에 있어, 한정되지 아니하나, 상세하게는 전지의 작동 중에 외형 변형이 많아 꾸준한 가압이 더욱 필요한 파우치형 전지셀일 수 있다.
또한, 그 종류에 있어서, 한정되지 아니하고, 예를 들어, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 리튬 금속 이온 전지, 리튬 프리(free) 이온 전지 등이 가능하나, 전지셀의 충방전에 따른 부피 변화가 크고, 리튬 덴드라이트의 성장이 주로 문제가 되어, 가압부에 의한 기계적 가압력과 동시에 자석을 통한 추가 가압을 통해 전지셀들을 보다 강하게 가압함으로써 이러한 문제를 효과적으로 해결할 수 있는, Si 및/또는 Sn을 음극에 적용한 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 또는, 음극 활물질로서, 리튬 금속을 사용하는 리튬 금속 이온 전지 또는 음극 활물질 없이 음극 집전체만으로 음극을 구성하는 리튬 프리(free) 이온 전지일 수 있고, 더욱 상세하게는, 리튬 금속 이온 전지일 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는, 상부가 개방된 구조의 박스 형태의 하부 모듈 케이스와, 상기 하부 모듈 케이스와 기계적으로 결합하여 복수의 전지셀들이 내장된 가압 지그를 외부로부터 완전히 차단할 수 있는 판 또는 박스 형태의 상부 모듈 케이스를 포함할 수 있다.
상기 하부 모듈 케이스와 상부 모듈 케이스는, 상기 전지셀들이 내장된 가압 지그를 외부로부터 완전히 차단할 수 있는 형태라면, 상기 형태에 한정되지 않고, 다양한 구조가 가능함은 물론이다.
이와 같이, 상기 모듈 케이스가 가압 지그를 외부로부터 차단하는 이유는, 가압 지그에 포함된 자석이 이후 상기 전지 모듈이 장착되는 디바이스의 다른 구성에 영향을 줄 수 있는 문제를 해결하기 위함이다.
따라서, 상기 모듈 케이스는, 더 나아가, 가압 지그에 포함되는 자석의 자성을 차폐할 수 있도록, 차폐 물질로 이루어질 수 있으며, 또는 자성의 차폐 기능을 가지는 차폐막을 추가로 포함할 수도 있다.
여기서, 상기 모듈 케이스가 차폐 물질로 이루어진 경우, 상기 차폐 물질은, 자성 차폐 기능을 가지는 물질이라면 한정되지 아니하고, 예를 들어, 폴리 에스테르계 물질일 수 있다. 이때, 모듈 케이스는 일정한 강성을 가지도록 일정한 두께를 가지는 종래 공지된 모듈 케이스의 형태로 제조될 수 있다.
한편, 상기 모듈 케이스가 차폐막을 포함하는 경우, 상기 차폐막은 모듈 케이스의 전체 내면 또는 외면에 부착되어 있을 수 있다. 물론, 모듈 케이스를 이루는 내면 및 외면의 양면에 모두 부착될 수도 있음은 물론이다.
이 경우, 상기 차폐막의 형태는, 한정되지 아니하나, 모듈 케이스에 부착되는 형태이므로, 강성을 가질 필요가 없는 바, 전체 모듈 케이스의 무게가 증가되는 것을 최소화할 수 있도록, 가벼운 섬유 형태인 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 차폐막은 차폐 기능을 가지는 물질이라면 한정되지 않고, 예를 들어, 폴리 에스테르계 물질로 이루어진 부직포일 수 있다.
더 나아가, 상기 차폐막은, 상기와 같이 차폐 기능을 가지는 고분자, 예를 들어, 폴리에스테르계 물질로 이루어진 부직포에 도전성 물질이 일부 또는 전부 코팅되어 있는 구조일 수도 있다.
상기 차폐막이 모듈 케이스에 부착되는 형태인 경우, 모듈 케이스는, 종래 공지된 물질로 제조될 수 있으므로, 이에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
상기와 같이 구조의 전지 모듈은, 전지셀들에 전지의 작동 중에도 기계적 가압과 함께 자성에 의한 가압이 계속되므로, 리튬 덴드라이트 억제 등의 효과가 지속될 수 있어, 전지셀들의 수명 성능을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 혹시 발생할 수 있는 자석에 의한 다른 구성품들에의 영향을 방지할 수도 있으므로, 안전성도 확보할 수 있다.
한편, 모듈 케이스의 기타 구성 사항들, 예를 들어, 외부 단자 등의 세부적 구조는 종래 공지된 모두 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 가압 지그는, 전지셀들을 기계적 가압 뿐 아니라, 자성에 의한 가압력도 부가되도록 자석을 포함함으로써, 전지셀들에 부가되는 가압력을 더욱 향상시키고, 보다 균일한 가압력을 제공함으로써 전지 성능을 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지 모듈은 이러한 상기 가압 지그를 포함하되, 상기 가압 지그로부터의 자성이 이를 포함하는 디바이스의 다른 구성에 영향을 미치지 않도록 자성을 차폐할 수 있는 구조로 이루어짐으로써, 자성에 의해 나타날 수 있는 문제를 해결하여 안전성 또한 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀이 내장된 상태에서 가압되기 전 상태를 도시한 가압 지그의 평면도이다;
도 2는 상기 도 1에서 전지셀들이 가압된 상태를 도시한 가압 지그의 평면도이다;
도 3은 도 2의 상면도이다;
도 4은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 모듈 케이스의 사시도이다;
도 5는 도 4의 하부 모듈 케이스에 전지셀 가압 지그가 삽입된 형태를 나타낸 상면도이다;
도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀이 내장된 상태에서 가압된 상태를 도시한 가압 지그의 평면도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀이 내장된 상태에서 가압된 상태를 도시한 가압 지그의 평면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀들이 내장된 상태에서 가압되기 전 상태의 가압 지그의 평면도를 도시하였으며, 도 2는 전지셀들이 가압된 상태의 가압 지그의 평면도를 도시하였고, 도 3은 상기 가압 지그의 상면도를 도시하였다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 가압 지그(100)은,
복수의 전지셀들(111, 112, 113)의 최외곽, 및 그들 사이에 위치하여, 복수의 전지셀들(111, 112, 113)이 내장되는 공간을 분리하고, 이들에 대해 가압을 수행하는 복수의 가압판들(120: 121, 122, 123, 124)과, 상기 가압판들(121, 122, 123, 124)을 상부 및 하부에서 서로 연결하는 가압 프레임들(130: 131, 132)을 포함하는 가압부;
상기 가압판들(121, 122, 123, 124)로 전지셀들(1111, 112, 113)을 가압시키기 위해, 가압부를 실질적으로 이동시키는 구동부(160)을 포함한다.
이하, 더욱 구체적으로, 설명한다.
가압 프레임들(130: 131, 132)은 전지셀들(111, 112, 113)을 내장할 수 있으면서도, 가압판들(121, 122, 123, 124)을 지지, 연결시키는 역할을 수행한다.
이때, 가압 프레임(130)은 복수의 가압판들(121, 122, 123, 124)을 견고히 하기 위해, 가압판들(121, 122, 123, 124)의 상부 및 하부에서 가압판들(121, 122, 123, 124)을 연결하는 구조로, 상부 가압 프레임(131) 및 하부 가압 프레임(132)을 포함함으로써, 가압판들이 전체적으로 구동부에 힘을 받을 수 있다.
상부 가압 프레임(131)은, 전지셀들(111, 112, 113)의 전극 단자들(111b)이 돌출된 방향에 위치하며, 따라서, 도 3에서와 같이, 전극 단자들(111b)이 위치하는 부위가 개방된 형태가 될 수 있도록, 둘 이상의 바(bar)들로 이루어져 있고, 이러한 바들 사이에서 전지셀들(111, 112, 113)의 전극 단자들(111b)이 노출된다. 도면에 도시하지 않았으나, 이후 이와 같이 노출된 전극 단자들(111b)은 상부에서 그 극성에 맞도록 하나의 리드로 각각 연결된다. 즉, 음극 단자들은 음극 단자들끼리 하나의 리드로 연결되며, 양극 단자들은 양극 단자들끼리 하나의 리드로 연결된다.
반면, 하부 가압 프레임(132)는, 가압판들(121, 122, 123, 124)과 함께 전지셀들(111, 112, 113)을 내장할 수 있는 공간을 이루어야 하므로 판 형상으로 이루어져 있다.
한편, 본 발명에 따르면 가압 지그(100)는, 전지셀들이 내장된 상태에서 컴팩트한 구조를 가지면서도 양측 최외곽에 위치하는 한쌍의 가압판들(121, 124) 사이에서 전지셀들(111, 112, 113)의 가압이 이루어져야 하는 한편, 일측에 구동부(160)을 포함하므로, 일측 최외곽에 위치하는 하나의 가압판(121)은 고정되고 나머지 가압판들(122, 123, 124)은 가압 프레임들에 연결된 채로 가압 방향과 수평방향으로 이동이 가능하게 한다(화살표 표시). 따라서, 도 1에서와 같이, 전지셀들(111, 112, 113)을 각각의 위치에 내장한 후, 구동부(160)에 의해서 화살표 방향으로 기계적 가압을 수행하면 일측 최외곽 가압판(121)을 제외한 가압판들(122, 123, 124)이 일측 최외곽 가압판(121) 방향으로 이동하면서, 도 2와 같이 전지셀들(111, 112, 113)이 가압된 상태의 콤펙트한 가압 지그(100)가 된다.
이와 같이, 가압판들(121, 122, 123, 124)이 이동, 고정하게 하기 위해, 가압 프레임들(130: 131, 132))에는 가압판들(121, 122, 123, 124)을 이동, 고정하게 하는 레일과 같은 장치(131a, 131b)가 형성되어 있다.
가압판들(121, 122, 123, 124)은, 전지셀들(111, 112, 113) 전체에 균일한 가압력을 가할 수 있도록 굴곡이 없고 전지셀들의 형상에 대응하는 판 형상이며, 일정한 강성을 갖는 재질 및 소정의 두께로 이루어진다.
구동부(160)는 상기에서 설명한 가압부를 이동시킬 수 있는 구조로, 타측 최외곽에 위치하는 가압판(124)에 연결된 구조로 가압봉 형태를 가진다. 구동부(160)가 가압판들(121, 122, 123, 124)의 이동을 수행한다.
한편, 본 발명에 따른 가압 지그(100)는, 복수의 가압판들(121, 122, 123, 124) 중 양측 최외곽에 위치하는 한쌍의 가압판들(121, 124)에, 서로 반대 극성이 마주하도록 자석들(171, 172)을 포함한다. 구체적으로, 상기 최외곽에 위치하는 한쌍의 가압판들(121, 124)의 전부 또는 일부가 자석(171, 172)으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 자석들(171, 172)의 크기는 이들과 대면하는 전지셀들(111, 113)의 크기보다 크다.
이와 같은 구조에서, 상기 최외곽에 위치하는 가압판들(121, 124) 사이에 내장된 복수의 전지셀들(111, 112, 113)에는 상기 반대 극성이 마주하는 자석들(171, 172)에 의한 인력이 가해지므로, 구동부(160)의 이동에 따른 기계적 가압 외에 자성에 의한 가압도 동시에 이루어질 수 있다.
한편, 이러한 가압 지그(100)은 복수의 전지셀들(111, 112, 113, 114, 115)을 내장한 상태로 모듈 케이스에 삽입되어 전지 모듈을 구성한다.
도 4에는 하나의 실시예에 따른 상기 가압 지그(100)이 내장되는 모듈 케이스(200)를 도시하였고, 도 5에는 가압 지그(100)이 내장된 상태의 하부 모듈 케이스(210)의 상면도를 모식적으로 도시하였다.
먼저, 도 4를 참조하면, 모듈 케이스(200)는, 상부가 개방된 구조의 박스 형태의 하부 모듈 케이스(210)과, 상기 하부 모듈 케이스(210)과 기계적으로 결합하여 복수의 전지셀들이 내장된 가압 지그를 외부로부터 완전히 차단할 수 있는 판 형태의 상부 모듈 케이스(220)을 포함한다.
더욱이, 모듈 케이스(200)은 모듈 케이스 내면 전체에 상기 가압 지그(100)에 포함되는 자석의 자성을 차폐할 수 있도록, 자성의 차폐 기능을 가지는 차폐막(230)을 더 포함한다.
이때, 차폐막(230)은 폴리에스테르계 물질로 이루어진 부직포(231)에 도전성 물질(232)가 일부 코팅되어 있는 구조를 가진다.
이러한 모듈 케이스(200)에 복수의 전지셀들(111, 112, 113)이 내장, 가압된 가압 지그(100)를 삽입하여 전지 모듈(300)을 제조한다.
구체적으로 하부 모듈 케이스(210)에 가압 지그(100)을 삽입하고, 상부 모듈 케이스(220)을 결합하여 전지 모듈을 제조한다.
따라서, 이러한 전지 모듈은 전지셀들(111, 112, 113)에 전지의 작동 중에도 기계적 가압과 함께 자성에 의한 가압이 계속되므로, 리튬 덴드라이트 억제 등의 효과가 지속될 수 있어, 전지셀들(111, 112, 113)의 수명 성능을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 가압 지그(100)에 포함되는 자석에 의해 다른 구성품들이 영향을 받지 않도록 차폐 기능을 가진 차폐막(230)을 포함하는 모듈 케이스(200)를 사용함에 따라 안전성도 확보할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 모듈 케이스 및 전지 모듈은 본 발명에 따른 특성을 나타내기 위해 모식적으로 도시한 것이고, 모듈 케이스를 이루는 세부적인 추가 구성들은 종래 공지된 바를 모두 포함할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀들이 내장된 상태의 가압 지그의 평면도가 도시되어 있다.
도 6를 참조하면, 도 2와 비교하여, 가압 지그(300)은, 전지셀들(311, 312, 313) 이동 방향의 수평방향을 기준으로 최외곽에 위치하는 가압판들(321, 324)의 양측에 연결된 구조로 가압봉 형태의 구동부들(361, 362)이 존재한다.
구동부들(361, 362)이 양측에 존재하여 양측으로 가압을 수행하므로, 모든 가압판들(321, 322, 323, 324)은 가압 프레임들(331, 332)에 연결된 채로 가압 방향과 수평방향으로 이동이 가능하다(화살표 표시). 즉, 구동부들(361, 362)에 의해서 서로 마주보는 방향으로 기계적 가압을 수행하면 가압판들(321, 322, 323, 324)이 좌우로 이동하면서, 도 6과 같이 전지셀들(311, 312, 313)을 가압할 수 있다.
마지막으로, 도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀들이 내장된 상태의 가압 지그의 평면도가 도시되어 있다.
도 7를 참조하면, 도 2와 비교하여, 가압 지그(400)은 모든 가압판들(421, 422, 423, 424)이 자석으로 이루어져 있어, 더욱 가압력을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예>
양극 활물질로서 LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2 82 중량%, 도전재로서 Carbon black 9 중량%, 바인더로서 PVdF 9 중량%를 용제인 NMP에 넣고 믹싱(mixing)하여 양극 슬러리를 제조하고, 이를 두께 20 ㎛의 알루미늄 집전체에 50㎛ 두께로 도포한 후, 130℃에서 건조하여 양극을 제조하였다.
음극으로서 50㎛ 두께의 Li 금속을 사용하였다.
상기 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌 기재의 양면, 바인더(PVdF)와 무기물 입자(Al2O3)가 2 : 8 중량비로 혼합된 유무기 혼합층이 형성된 SRS분리막을 개재하는 형태로, 양극/음극/양극의 스택셀을 제조하고, EC : EMC = 1 : 2의 carbonate solvent에 LiPF6가 1M 녹아있는 전해액을 주입하여 2.1A 파우치형 전지셀을 제조하였다.
<실시예 1>
상기 제조예에서 제조된 전지셀을 3개 내장한, 하기 도 1과 같은 형태의 가압 지그를 준비하고, 이를 도 4의 전지모듈 케이스에 내장하였다.
가압지그의 최외곽 가압판들에는 자력이 2000 가우스가 되는 네오디뮴 자석을 반대 극성이 서로 마주하도록 각각 부착하였다.
또한, 상기 가압 지그에, 기계적 가압(가압력: 0.80Mpa)을 수행하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1에서, 가압 지그의 최외곽 가압판들에 자력이 3500 가우스가 되는 네오디뮴 자석을 반대 극성이 서로 마주하도록 각각 부착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전지셀에 대한 가압을 수행하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1에서, 가압 지그의 최외곽 가압판들에 자력이 5000 가우스가 되는 네오디뮴 자석을 반대 극성이 서로 마주하도록 각각 부착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전지셀에 대한 가압을 수행하였다.
<실시예 4>
상기 실시예 1에서, 가압 지그의 가압판들을 도 7과 같이 모두 자력이 3500 가우스가 되는 네오디뮴 자석으로 반대 극성이 서로 마주하도록 만든것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전지셀에 대한 가압을 수행하였다.
<비교예 1>
상기 제조예 1에서 제조된 전지셀을 준비하였고, 별도의 가압을 수행하지 않았다.
<비교예 2>
상기 실시예 1에서, 가압 지그에 자석을 부착하지 않고, 전지셀에 대한 기계적 가압(가압력: 2.00Mpa)만 수행하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 2에 따른 전지셀들이 가압 지그 내에서 가압된 상태로, 25℃에서 정전류/정전압(CC/CV) 조건으로 4.25V/50mA까지 0.2C으로 충전한 다음, 정전류(CC) 조건으로 3 V까지 0.5C으로 방전하는 것을 1 사이클로 하여 50 사이클에서의 전지셀의 1개의 두께를 측정하고, 그 때의 용량 유지율((50th 용량/1st 용량) x 100)을 하기 표 1에 도시하였다.
총 가압력(Mpa) 셀 두께(mm, 1사이클) 용량유지율(%, 50사이클)
실시예 1 2.0 7.5 90
실시예 2 2.5 7.1 94
실시예 3 3.0 6.8 97
실시예 4 5.0 4.0 99
비교예 1 0 21 60
비교예 2 2.0 12 79
* 총 가압력은 가우스에 의한 가압력을 가우스메타기로 측정하여 기계적 가압력과 합산한 것이다.표 1을 참조하면, 가우스가 높은 자석일수록 가압력이 높아지며, 가압력이 증가하면서 수명 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 2를 실시예 1과 비교하면, 작용한 총 가압력은 동일하나, 자석에 의한 가압을 실시한 실시예 1의 수명특성이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있다. 이로부터 자석에 의한 가압을 추가하는 경우, 기계적 압력과 다르게 전체적으로 균등한 가압이 이루어진다고 볼 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 (20)

  1. 복수의 전지셀들이 가압 지그에 내장되어 가압된 상태로, 모듈 케이스에 삽입되어 있는 전지 모듈로서,
    상기 가압 지그는,
    복수의 전지셀들 최외곽, 및 그들 사이에 위치하여 복수의 전지셀들이 내장되는 공간을 분리하고, 복수의 전지셀들에 대해 가압을 수행하는 복수의 가압판들; 및 상기 복수의 가압판들의 상부 및 하부에서 상기 가압판들을 서로 연결하는 가압 프레임들;을 포함하는 가압부, 및
    상기 복수의 가압판들 모두, 또는 일측 최외곽에 위치하는 하나의 가압판만을 제외한 나머지 가압판들은, 상기 가압 프레임들에 연결된 채로 가압 방향과 수평방향으로 이동 가능하며,
    상기 복수의 가압판들 중 양측 최외곽에 위치하는 한쌍의 가압판들에는, 서로 반대 극성이 마주보는 형태로 자석이 포함되는, 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가압 프레임들은 전지셀들의 전극 단자가 돌출되는 방향에 위치하는 상부 가압 프레임 및 상기 상부 가압 프레임과 평행하고, 전극 단자가 돌출되는 방향과 반대 방향에 위치하는 하부 가압 프레임을 포함하는, 전지 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 상부 가압 프레임은 서로 평행한 구조의 둘 이상의 바(bar) 형상으로 이루어진, 전지 모듈.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 하부 가압 프레임은 하나의 판(plate) 형상으로 이루어진, 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 모든 가압판들에는 서로 반대 극성이 마주보는 형태로 자석이 포함되어 있는, 전지 모듈.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 자석은 가압판들의 일부 또는 전부에 형성되어 있는, 전지 모듈.
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 자석은 전지셀들과 대면하는 가압판들의 내면 또는 양면에 부착되어 있는, 전지 모듈.
  8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 자석의 포함 면적은 전지셀의 면적과 동일하거나, 보다 큰, 전지 모듈.
  9. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 가압 지그는 구동부에 의한 가압부의 이동에 따른 기계적 가압과 자석의 서로 다른 극성의 자성에 의한 가압이 동시에 이루어지는, 전지 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 자성에 의한 가압력은, 가압판들에 포함되는 자석의 가우스에 의해 결정되는, 전지 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 가우스는, 2000 가우스 이상인, 전지 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 가우스는, 2000 내지 7000 가우스인, 전지 모듈.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 전지셀들은 리튬 금속 이온 전지인, 전지 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 케이스는, 상부가 개방된 구조의 박스 형태의 하부 모듈 케이스와, 상기 하부 모듈 케이스와 기계적으로 결합하여 복수의 전지셀들이 내장된 가압 지그를 외부로부터 완전히 차단할 수 있는 판 또는 박스 형태의 상부 모듈 케이스를 포함하는, 전지 모듈.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 케이스는, 가압 지그의 자성을 차폐할 수 있도록, 차폐 물질로 이루어진, 전지 모듈.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 차폐 물질은, 폴리에스테르계 물질인, 전지 모듈.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 케이스는, 자성의 차폐 기능을 가지는 차폐막을 포함하는, 전지 모듈.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 차폐막은 모듈 케이스의 전체 내면 또는 외면에 부착되어 있는, 전지 모듈.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 차폐막은 폴리에스테르계 물질로 이루어진 부직포에 도전성 물질이 일부 또는 전부 코팅되어 있는 구조인, 전지 모듈.
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