KR102562812B1 - 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀은, 전극조립체가 수납부에 장착되되, 외주변이 밀봉된 구조의 실링부를 포함하는 전지케이스, 상기 전극조립체에 포함된 전극 탭과 전기적으로 연결되되, 상기 실링부를 경유하여 상기 전지케이스의 외측 방향으로 돌출되어 있는 전극 리드, 및 상기 전극 리드의 상부 및 하부 중 적어도 하나에서, 상기 실링부에 대응되는 부분에 위치하는 리드 필름을 포함하고, 상기 리드 필름은 상기 전지케이스의 외측 방향으로 만입된 함몰부가 형성되어 있고, 상기 함몰부는 상기 전지케이스의 내부를 향해 개방되어 있고, 상기 함몰부는 제1 함몰부 및 제2 함몰부를 포함하고, 상기 제2 함몰부의 폭은 상기 제1 함몰부의 폭보다 크다.

Description

전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈 {BATTERY CELL AND BATTERY MODULE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전지셀 내부에 발생된 가스의 외부 배출량이 향상된 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
이러한 이차 전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 여기서, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재한 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이 중에서도, 특히 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조 비용, 작은 중량, 용이한 변형 형태 등을 이유로 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1은 종래의 전지셀의 상면도이다. 도 2는 도 1에서 a-a' 축을 따라 자른 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 전지셀(10)은 전극조립체(11)가 수납부(21)에 장착되되, 외주변이 밀봉된 구조의 실링부(25)를 포함하는 전지케이스(20)를 포함한다. 여기서, 실링부(25)를 경유하여 전지케이스(20)의 외측 방향으로 돌출되어 있는 전극 리드(30)를 포함하며, 전극 리드(30)의 상하부와 실링부(25) 사이에는 리드 필름(40)이 위치한다.
그러나, 최근 전지셀의 에너지 밀도가 증가함에 따라, 전지셀 내부에서 발생하는 가스량 또한 증가되는 문제가 있다. 종래의 전지셀(10)의 경우, 전지셀 내부에서 발생된 가스가 배출될 수 있는 부품이 포함되어 있지 않아, 전지셀은 가스 발생으로 인해 벤팅 현상이 발생될 수 있다. 이와 더불어, 벤팅 현상에 의해 손상된 전지셀은 수분이 내부로 침투할 수 있어, 부반응이 발생될 수 있고, 전지 성능 저하 및 추가적인 가스 발생 또한 초래되는 문제가 있다. 이에 따라, 전지셀 내부에서 발생된 가스의 외부 배출량이 향상된 전지셀을 개발할 필요성이 높아지고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지셀 내부에 발생된 가스의 외부 배출량이 향상된 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀은, 전극조립체가 수납부에 장착되되, 외주변이 밀봉된 구조의 실링부를 포함하는 전지케이스, 상기 전극조립체에 포함된 전극 탭과 전기적으로 연결되되, 상기 실링부를 경유하여 상기 전지케이스의 외측 방향으로 돌출되어 있는 전극 리드, 및 상기 전극 리드의 상부 및 하부 중 적어도 하나에서, 상기 실링부에 대응되는 부분에 위치하는 리드 필름을 포함하고, 상기 리드 필름은 상기 전지케이스의 외측 방향으로 만입된 함몰부가 형성되어 있고, 상기 함몰부는 상기 전지케이스의 내부를 향해 개방되어 있고, 상기 함몰부는 제1 함몰부 및 제2 함몰부를 포함하고, 상기 제2 함몰부의 폭은 상기 제1 함몰부의 폭보다 크다.
상기 제2 함몰부가 제1 함몰부보다 전극 조립체가 수납된 방향과 멀게 위치할 수 있다.
상기 제1 함몰부의 일부가 실링부와 대응되는 위치에 위치할 수 있다.
상기 제2 함몰부의 일부가 실링부와 대응되지 않는 위치에 위치할 수 있다.
상기 리드 필름의 폭은 상기 실링부의 폭보다 클 수 있고, 상기 전극 리드의 길이보다 작을 수 있다.
상기 제2 함몰부는 상기 실링부의 단부와 상기 리드 필름의 단부 사이에 위치할 수 있다.
상기 제1 함몰부는 상기 전극 리드의 돌출 방향을 따라 연장되어 있을 수 있고, 상기 제2 함몰부는 상기 실링부의 길이 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
상기 제2 함몰부의 형상이 원형, 삼각형, 사각형, 또는 요철모양일 수 있다.
상기 전극 리드의 돌출 방향을 기준으로 상기 함몰부의 내면은 폐쇄되어 있을 수 있다.
상기 리드 필름은 함몰부 내면 중 적어도 일면을 덮는 내부층을 더 포함할 수 있다.
상기 내부층을 이루는 소재는, 상기 리드 필름을 이루는 소재 대비하여 녹는점이 높고, 전해액에 반응하지 않을 수 있다.
상기 리드 필름은 폴리올레핀 계열의 물질을 포함할 수 있다.
상기 내부층은 폴리올레핀 계열, 불소 계열, 및 다공성 세라믹 계열 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 함몰부는 상기 전극 리드 상에 위치할 수 있다.
상기 리드 필름의 길이는 상기 전극 리드의 폭보다 클 수 있다.
상기 함몰부는 상기 전극 리드의 단부와 상기 리드 필름의 단부 사이에 위치할 수 있다.
상기 리드 필름은 제1 리드 필름 및 제2 리드 필름을 포함할 수 있고, 상기 제1 리드 필름은 상기 전극 리드의 상부에 위치할 수 있고, 상기 제2 리드 필름은 상기 전극 리드의 하부에 위치할 수 있다.
상기 전극 리드는 상기 제1 리드 필름과 상기 제2 리드 필름 사이에 위치할 수 있고, 상기 제1 리드 필름과 상기 제2 리드 필름은 서로 연결되어 있을 수 있다.
상기 제1 리드 필름과 상기 제2 리드 필름 중 적어도 하나에 상기 함몰부가 위치할 수 있다.
상기 함몰부의 전지케이스 최외측 방향의 단부는 상기 전지케이스의 외측면보다 외측에 위치할 수 있다.
상기 함몰부의 전지케이스의 내부를 향해 개방되어 있는 단부는 상기 전지케이스의 내측면보다 내측에 위치할 수 있다.
상기 전극 리드의 돌출 방향을 기준으로, 상기 함몰부의 전면을 감싸는 리드 필름의 폭이 2 mm 이상일 수 있다.
상기 함몰부의 상면을 감싸는 리드 필름의 두께가 100 내지 300 ㎛일 수 있다.
상기 리드 필름의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 20 내지 60 barrer일 수 있다.
상기 리드 필름의 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 0.02 내지 0.2 g일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 상술한 전지셀을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 본 발명은 전지케이스의 외측 방향으로 만입되고 전지케이스의 내부를 향해 개방된 함몰부가 형성된 리드 필름이 부착된 전극 리드를 포함하는 전지셀 및 이를 포함하는 전지 모듈을 제공하여, 전지셀 내부에 발생된 가스의 외부 배출량이 향상될 수 있다.
실시예들에 따르면, 본 발명은 상기 함몰부가 제1 함몰부 및 제2 함몰부를 포함하고, 제2 함몰부의 폭이 제1 함몰부의 폭보다 커서 전지셀 내부에 발생된 가스의 외부 배출량이 향상될 수 있으면서 리드 필름의 내구성이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전지셀의 상면도이다.
도 2는 도 1에서 a-a' 축을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 전지셀의 상면도이다.
도 4는 도 3의 전지셀에 포함된 전극 리드의 사시도이다.
도 5는 도 4에서 c-c' 축을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 4에서 d-d' 축을 따라 자른 단면도이다.
도 7은 도 4에서 e-e` 축을 따라 자른 단면도이다.
도 8은 도 3의 전지셀에서 전극 리드 부분을 확대한 도면이다.
도 9는 도 8의 (a)에서 실링부의 위치에 따른 전극 리드 부분을 확대한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 3의 전지셀에서 전극 리드 부분을 확대한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 3의 전지셀에서 전극 리드 부분을 확대한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 3의 전지셀에서 전극 리드 부분을 확대한 도면이다.
도 13은 도 3에서 b-b' 축을 따라 자른 단면도이다.
도 14는 도 13에서 전지셀 내부에서 발생된 가스가 외부로 배출되는 흐름을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 파우치 전지셀(100)에 대해 설명하고자 한다. 다만, 여기서 파우치 전지셀(100)의 양측면 중 일측면을 기준으로 설명될 것이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 타측면인 경우에도 동일하거나 유사한 내용으로 설명될 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 전지셀의 상면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지셀(100)은 전지케이스(200), 전극 리드(300), 및 리드 필름(400)을 포함한다.
전지케이스(200)는 전극조립체(110)가 수납부(210)에 장착되되, 외주변이 밀봉된 구조의 실링부(250)를 포함한다. 상기 실링부(25)는 열 또는 레이저 등에 의해 밀봉될 수 있다. 전지케이스(200)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트일 수 있다. 보다 구체적으로, 전지케이스(200)는 라미네이트 시트로 이루어져 있되, 최외각을 이루는 외측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층, 및 밀봉을 위한 내측 수지층으로 구성될 수 있다.
또한, 전극조립체(110)는 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 복합형(스택/폴딩형)의 구조로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 전극조립체(110)는 양극, 음극, 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어질 수 있다.
이하에서는, 전극 리드(300) 및 리드 필름(400)을 중심으로 설명한다.
도 4는 도 3의 전지셀에 포함된 전극 리드의 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전극 리드(300)는 전극조립체(110)에 포함된 전극 탭(미도시됨)과 전기적으로 연결되되, 실링부(250)를 경유하여 전지케이스(200)의 외측 방향으로 돌출되어 있다. 또한, 리드 필름(400)은 전극 리드(300)의 상부 및 하부 중 적어도 하나에서, 실링부(250)에 대응되는 부분에 위치한다. 이에 따라, 리드 필름(400)은 밀봉 시 전극 리드(300)에서 쇼트가 발생하는 것을 방지하면서도, 실링부(250)와 전극 리드(300)의 밀봉성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 도 4에서 c-c' 축을 따라 자른 단면도이다. 도 6은 도 4에서 d-d' 축을 따라 자른 단면도이다. 도 7은 도 4에서 e-e`축을 따라 자른 단면도이다.
도 5를 참조하면, 리드 필름(400)은 전지케이스(200)의 외측방향으로 만입된 함몰부(450)가 형성되어 있으며, 함몰부(450)는 전지케이스(200) 내부를 향해 개방되어 있다. 또한, 함몰부(450)는 전극 리드(300)의 돌출 방향을 기준으로 함몰부(450)의 내면이 폐쇄되어 있을 수 있다.
이에 따라, 리드 필름(400)에서, 전지케이스(200) 내부에서 발생된 가스가 소정의 압력 이상이 되면 함몰부(450)로 배출될 수 있고, 함몰부(450)에 유입된 가스는 내외부의 압력 차이에 따라 전지 외부로 배출될 수 있다. 또한, 리드 필름(400)은 함몰부(450)가 내부를 향해 개방되어 있으면서 동시에 리드 필름(400)의 외측방향으로 만입된 함몰부의 내면이 폐쇄되어 있기 때문에 파우치의 기밀성 및 내구성 또한 확보할 수 있는 이점이 있다. 또한, 리드 필름(400)은 함몰부(450)에 의해 기체의 투과 면적이 최대화될 수 있어, 대량의 기체를 배출할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 함몰부(450)는 제1 함몰부(451) 및 제2 함몰부(455)를 포함하고, 제2 함몰부(455)의 폭은 제1 함몰부(451)의 폭보다 크다.
본 명세서에서, 상기 제2 함몰부(455)의 폭은 전극 리드(300)의 돌출 방향과 직교하는 방향에서 제2 함몰부(455)의 일단과 타단 사이의 거리의 최대값을 지칭하고, 상기 제1 함몰부(451)의 폭은 전극 리드(300)의 돌출 방향과 직교하는 방향에서 제1 함몰부(451)의 일단과 타단 사이의 거리의 최대값을 지칭한다.
전지케이스(200) 내부의 가스가 함몰부(450)로 유입되면서 리드 필름(400)이 압력에 의해 외부로 팽창하면서 발생하는 곡률이 증가하면 리드 필름(400)과 전극 리드(300)의 계면 사이에 가해지는 스트레스 역시 증가한다.
함몰부(450)가 폭이 동일한 부분으로만 이루어진 경우, 팽창된 리드 필름(400)의 곡률이 증가함에 따라 리드 필름(400)과 전극 리드(300)의 계면 사이에 가해지는 스트레스에 의해 리드 필름(400)의 내구성이 약화될 수 있다.
반면, 함몰부(450)가 상이한 폭을 가진 제1 함몰부(451) 및 제2 함몰부(455)를 포함하는 경우, 상대적으로 폭이 좁은 제1 함몰부(451)에서 팽창된 리드 필름(400)의 곡률이 상대적으로 폭이 넓은 제2 함몰부(455)에서 팽창된 리드 필름(400)의 곡률보다 작아 리드 필름(400)과 전극 리드(300)의 계면 사이에 가해지는 스트레스가 작아 내구성이 향상될 수 있으면서 가스의 배출량을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 리드 필름(400)은 함몰부(450)의 내면 중 적어도 일면을 덮는 내부층(410)을 더 포함할 수 있다.
일 예로, 도 5(a) 내지 도 7(a)를 참조하면, 함몰부(450) 내에서 내부층(410)은 리드 필름(400)의 표면 전체를 덮을 수 있다. 즉, 함몰부(450)는 개방되어 있는 면을 제외한 내면 전체에 내부층(410)이 형성되어 있을 수 있다.
이에 따라, 리드 필름(400)은 전극 리드(300)의 상하부 중 적어도 어느 하나에 위치한 상태에서 실링부(250)와 함께 밀봉되더라도, 내부층(410)에 의해 함몰부(450)가 밀봉되지 않은 상태로 보존될 수 있다.
다른 일 예로, 도 5(b) 내지 도 7(b)를 참조하면, 내부층(410)은 함몰부(450)의 내면 중 상면 또는 하면을 덮을 수 있다. 즉, 함몰부(450)는 서로 대면하는 상면 및 하면 중 적어도 일면에 내부층(410)이 형성되어 있을 수 있다.
이에 따라, 리드 필름(400)은 함몰부(450) 내에 형성되는 내부층(410)을 최소화하면서도, 내부층(410)에 의해 함몰부(450)가 밀봉되지 않은 상태로 보존될 수 있다. 또한, 제조 공정을 간이하게 하고, 비용적으로 절감할 수 있다.
보다 구체적으로, 내부층(410)은 리드 필름(400)을 이루는 소재 대비하여 녹는점이 높은 소재로 이루어질 수 있다. 또한, 내부층(410)은 전지케이스(200) 내에 포함되는 전해액에 반응하지 않는 소재로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 내부층(410)은 상술한 소재로 이루어져, 전해액과 별도의 반응을 하지 않으면서, 고온의 밀봉 과정에서 열융착, 열변형 등이 발생되지 않아 함몰부(450)가 공란으로 유지될 수 있다. 또한, 전지케이스(200) 내 발생되는 가스가 외부로 용이하게 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 내부층(410)의 두께는 100 ㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 내부층(410)의 가스 투과도(permeability)가 40 barrer 이상일 수 있다. 예컨대, 상기 내부층(410)의 이산화탄소 투과도가 전술한 범위를 만족할 수 있다.
일 예로, 내부층(410)은 폴리올레핀 계열, 불소 계열, 및 다공성 세라믹 계열 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 내부층(410)은 전술한 가스 투과도 값을 만족하는 폴리올레핀 계열, 불소 계열, 및 다공성 세라믹 계열 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 상기 폴리올레핀계 계열 물질은, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다. 상기 불소 계열 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 및 폴리비닐리덴 플로라이드(Polyvinylidene fluoride)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다. 또한, 내부층(410)은 게터(getter) 물질을 포함하여, 가스 투과도는 높이되 수분 침투도는 최소화할 수 있다. 일 예로, 상기 게터(getter) 물질은 산화칼슘(CaO), 산화바륨(BaO), 염화리튬(LiCl), 실리카(SiO2) 등일 수 있되, 이에 한정되는 것은 아니며 물(H2O)과 반응하는 물질이라면 사용될 수 있다.
상기 내부층(410)은 상기 리드 필름(400)과 내부층(410) 사이에 접착소재를 구비하거나 리드 필름(400)과 함께 압출되어 리드 필름(400)과 접착할 수 있다. 상기 접착소재는 아크릴 계열을 포함할 수 있다. 특히, 상기 내부층(410)이 리드 필름(400)과 함께 압출되는 경우, 내부층(410)의 가스 투과도가 40 barrer 이상일 수 있다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 리드 필름(400)은 제1 리드 필름 및 제2 리드 필름을 포함하고, 상기 제1 리드 필름은 전극 리드(300)의 상부에 위치하고, 상기 제2 리드 필름은 전극 리드(300)의 하부에 위치할 수 있다. 이 때, 전극 리드(300)는 상기 제1 리드 필름과 상기 제2 리드 필름 사이에 위치한 상태에서 실링부(250)와 함께 밀봉되어, 상기 제1 리드 필름과 상기 제2 리드 필름은 서로 연결되어 있을 수 있다.
이에 따라, 리드 필름(400)은 전극 리드(300)의 측면이 외부로 노출되는 것을 방지하면서도, 실링부(250)와 전극 리드(300)의 밀봉성을 향상시킬 수 있다.
일 예로, 리드 필름(400)에서, 함몰부(450)는 상기 제1 리드 필름과 상기 제2 리드 필름 중 적어도 하나에 함몰부(450)가 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 리드 필름(400)에서, 함몰부(450)는 전극 리드(300)를 기준으로 상기 제1 리드 필름 또는 상기 제2 리드 필름에 형성되어 있거나, 함몰부(450)는 전극 리드(300)를 기준으로 상기 제1 리드 필름 및 상기 제2 리드 필름에 모두 형성되어 있을 수 있다. 다만, 함몰부(450)의 개수는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 리드 필름(400) 내에서 적절한 개수로 형성되어 있을 수 있다.
이에 따라, 리드 필름(400)에 형성되어 있는 함몰부(450)의 개수를 조절하여, 리드 필름(400)의 내구성 및 기밀성을 제어할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 함몰부(450)의 개수를 최소화하여, 제조 공정을 간이하게 하고, 비용적으로 절감할 수 있다.
도 8은 도 3의 전지셀에서 전극 리드 부분을 확대한 도면이다. 도 9는 도 8의 (a)에서 실링부의 위치에 따른 전극 리드 부분을 확대한 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 제2 함몰부(455)가 제1 함몰부(451)보다 전극조립체(110)가 수납된 방향과 멀게 위치할 수 있다.
이 때, 제2 함몰부(455)가 전지케이스(200) 내부에서 발생한 가스를 전지케이스(200) 외부로 배출하는 역할을 할 수 있고, 이에 따라, 제2 함몰부(455)의 폭이 제1 함몰부(451)의 폭보다 넓어 가스가 외부로 배출되는 면적이 더 증가하여 가스의 배출량이 증가하기 더욱 용이할 수 있다.
또한, 상대적으로 폭이 더 좁은 제1 함몰부(451)가 전지케이스(200) 내부에서 발생한 가스가 함몰부(450)로 유입되는 통로 역할을 하고, 리드 필름(400)의 내구성을 증가시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 함몰부(451)의 일부가 실링부(250)와 대응되는 위치에 위치할 수 있다. 예컨대, 제2 함몰부(455)가 제1 함몰부(451)보다 전극조립체(110)가 수납된 방향과 멀게 위치하면서, 제1 함몰부(451)의 일부가 실링부(250)와 대응되는 위치에 위치할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제2 함몰부(455)의 일부가 실링부(250)와 대응되지 않는 위치에 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 함몰부(4550)가 실링부(250)와 대응되지 않는 면적이 증가할수록, 전지케이스(200) 내부의 가스가 전지케이스(200) 외부로 배출되는 면적이 증가할 수 있다. 예컨대, 제2 함몰부(455)가 제1 함몰부(451)보다 전극조립체(110)가 수납된 방향과 멀게 위치하면서, 제2 함몰부(455)의 일부가 실링부(250)와 대응되지 않는 위치에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 리드 필름(400)의 폭은 실링부(250)의 폭보다 크되, 전극 리드(300)의 길이보다 작을 수 있다. 본 명세서에서, 리드 필름(400)의 폭은 전극 리드(300)의 돌출 방향에서의 리드 필름의 일단과 타단 사이의 거리의 최대값을 의미한다. 실링부(250)의 폭은 전극 리드(300)의 돌출 방향에서의 실링부(250)의 일단과 타단 사이의 거리의 최대값을 의미한다. 전극 리드(300)의 길이란, 전극 리드(300)의 돌출 방향에서의 전극 리드(300)의 일단과 타단 사이의 거리의 최대값을 의미한다. 이 때, 제2 함몰부(455)는 실링부(250)의 단부와 리드 필름(400)의 단부 사이에 위치할 수 있다. 예컨대, 제2 함몰부(455)의 전체가 실링부(250)와 대응되지 않는 위치에 위치할 수 있다.
리드 필름(400)에서, 함몰부(450)는 다양한 형상으로 형성되어 있을 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 함몰부(451)는 전극 리드(400)의 돌출 방향을 따라 연장되어 있을 수 있고, 제2 함몰부(455)는 실링부(250)의 길이 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다. 본 명세서에서, 실링부(250)의 길이 방향이란, 전극 리드(300)의 돌출 방향과 직교하는 방향을 지칭한다.
리드 필름(400)에서, 함몰부(450)는 전극 리드(300)를 기준으로 다양한 위치에 형성되어 있을 수 있다.
일 예로, 도 8(a)와 같이, 리드 필름(400)에서, 함몰부(450)는 전극 리드(300) 상에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 함몰부(450)는 전극 리드(300)의 중심부와 대응되는 위치에 형성되어 있을 수 있다.
다른 일 예로, 도 8(b)와 같이, 리드 필름(400)의 길이는 전극 리드(300)의 폭보다 클 수 있고, 함몰부(450)는 전극 리드(300)의 단부와 리드 필름(400)의 단부 사이에 위치할 수 있다. 본 명세서에서, 리드 필름(400)의 길이는 전극 리드(300)의 돌출 방향과 직교하는 방향에서 리드 필름(400)의 일단과 타단 사이의 거리의 최대값을 의미하고, 전극 리드(300)의 폭은 전극 리드(300)의 돌출 방향과 직교하는 방향에서 전극 리드(300)의 일단과 타단 사이의 거리의 최대값을 의미한다. 다르게 말하면, 리드 필름(400)에서, 함몰부(450)는 전극 리드(300)를 회피한 위치에 형성되어 있을 수 있다. 다만, 함몰부(450)의 위치는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 리드 필름(400) 내에서 적절한 위치에 형성되어 있을 수 있다.
이에 따라, 리드 필름(400)에 형성되어 있는 함몰부(450)의 위치를 조절하여, 리드 필름(400)의 내구성 및 기밀성을 제어할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 함몰부(450)의 위치에 따라, 함몰부(450)의 크기를 조절하여, 제조 공정을 간이하게 하고, 비용적으로 절감할 수 있다.
도 9를 참조하면, 리드 필름(400)에서, 함몰부(450)의 내부를 향해 개방되어 있는 단부는 리드 필름(400)의 전지케이스(200) 내측 단부에 인접하게 형성되어 있고, 외부를 향해 만입되어 있는 전지케이스(200) 최외측 방향의 단부는 실링부(250)의 단부와 리드 필름(400)의 단부 사이에 위치할 수 있다. 본 명세서에서, “전지케이스(200) 최외측 방향의 단부”란, 함몰부의 단부 중 전극 리드(300)의 돌출 방향을 기준으로 최외측에 위치한 함몰부(450)의 단부를 지칭한다.
또한, 함몰부(450)에서 외부를 향해 만입되어 있는 단부는 실링부(250)의 단부와 소정의 거리만큼 이격되어 있거나, 인접하게 위치할 수 있다.
일 예로, 도 9 (a) 및 (b)를 비교하면, 리드 필름(400)과 접하는 실링부(250)의 위치가 변경되더라도, 함몰부(450)가 전지케이스(200)를 기준으로 외측에 위치하는 면적에 미치는 영향이 없는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서, 밀봉 공정 상에서 발생되는 리드 필름(400)과 실링부(250)의 위치에 따른 오차 범위 내에서, 함몰부(450)가 전지케이스(200)를 기준으로 외측에 위치하는 면적을 균일하게 유지할 수 있고, 전지케이스(200) 내의 가스가 함몰부(450)로 유입 및 외부로 배출될 수 있는 면적 또한 균일하게 유지될 수 있다. 이에 따라, 함몰부(450)에 의한 기체 배출 효과도 유지될 수 있는 이점이 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 3의 전지셀에서 전극 리드 부분을 확대한 도면이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 제2 함몰부(455)의 형상이 원형, 삼각형, 또는 요철모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 예컨대 도 8과 같이 사각형 등의 모양을 가질 수 있다.
이에 따라, 리드 필름(400)에 형성되어 있는 함몰부(450)의 형상을 조절하여, 리드 필름(400)의 내구성 및 기밀성을 제어할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 함몰부(450)의 형상을 달리하여, 제조 공정을 간이하게 하고, 비용적으로 절감할 수 있다.
도 13은 도 3에서 b-b' 축을 따라 자른 단면도이다. 도 14는 도 13에서 전지셀 내부에서 발생된 가스가 외부로 배출되는 흐름을 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 함몰부(450)의 전지케이스(200) 최외측 방향의 단부는 전지케이스(200)의 외측면보다 외측에 위치할 수 있다. 본 명세서에서, 전지케이스(200)의 외측면이란, 전지케이스(200)의 실링부(250)의 전지 외측 단부를 의미하는 것이다. 이에 따라, 가스가 전지 외부로 배출될 수 있는 면적을 충분히 확보하기 더욱 용이할 수 있다.
또한, 함몰부(450)의 전지케이스(200)의 내부를 향해 개방되어 있는 단부는 전지케이스(200)의 내측면보다 내측에 위치할 수 있다. 본 명세서에서, 전지케이스(200)의 내측면이란, 전지케이스(200)의 실링부(250)의 전지 내측 단부를 의미하는 것이다. 이에 따라, 전지 내의 가스가 함몰부(450)로 유입되기 더욱 용이할 수 있다.
전술한 경우, 리드 필름(400)은 함몰부(450)의 면적을 최대화하여, 전지케이스(200) 내부에서 발생된 가스의 투과 면적이 최대화될 수 있어, 대량의 기체를 배출할 수 있다.
도 13을 참조하면, 함몰부(450)의 상면을 감싸는 리드 필름(400)의 두께(H)가 100 내지 300 ㎛, 또는 100 내지 200 ㎛일 수 있다. 함몰부(450)의 상면을 감싸는 리드 필름(400)의 두께(H)가 전술한 범위를 만족하는 경우, 전지케이스(200) 내부의 가스가 외부로 배출되기 더욱 용이할 수 있다. 본 명세서에서, 함몰부(450)의 상면을 감싸는 리드 필름(400)이란, 함몰부(450)와 전극 리드(300) 사이의 리드 필름(400)을 지칭한다.
도 13을 참조하면, 전극 리드(300)의 돌출 방향을 기준으로, 함몰부(450)의 전면을 감싸는 리드 필름(400)의 폭(W)이 2 mm 이상, 또는 2 mm 내지 3 mm 일 수 있다. 본 명세서에서, 상기 함몰부(450)의 전면을 감싸는 리드 필름(400)의 폭은 만입되어 있는 전지케이스(200) 최외측 방향의 단부와 리드 필름(400)의 전지케이스(200)의 외측 단부 사이 거리의 최대값을 의미한다. 상기 함몰부(450)의 전면을 감싸는 리드 필름(400)의 폭(W)이 전술한 범위를 만족하는 경우, 전지케이스(200) 내부에서 발생한 가스가 외부로 배출되는 과정에서 리드 필름(400)이 찢어지는 현상을 방지하기 더욱 용이할 수 있다.
도 14를 참조하면, 전지셀(100) 내부에서 발생된 가스는 리드 필름(400)의 함몰부(450)를 향해 배출될 수 있다. 여기서, 함몰부(450)는 내부를 향해 개방되어 있어, 함몰부(450) 내부의 압력은 전지케이스(200)의 내부의 압력과 동일할 수 있다.
함몰부(450) 내부의 압력은 전지셀(100) 외부의 압력보다 높고, 이에 따른 압력 차이가 가스의 추진력(driving force)로 작용할 수 있다. 이에 따라, 함몰부(450)에 유입된 가스는 외부를 향해 용이하게 배출될 수 있다. 또한, 전지셀(100) 내부에서 발생된 가스의 외부 배출량 또한 증가될 수 있다.
이 때, 전지케이스(200) 내부에서 발생하는 가스가 함몰부(450) 및 함몰부의 상면을 감싸는 리드 필름(400)을 거쳐 Z축 방향을 따라 배출될 수 있다. 예컨대, 함몰부(450)가 전지케이스(200) 외부로 노출되는 경우, 전지케이스(200) 내부에서 발생하는 가스가 함몰부(450) 및 함몰부의 상면을 감싸는 리드 필름(400)을 거쳐 Z축 방향을 따라 배출될 수 있다. 특히, 상기 함몰부(450)의 만입된 전지케이스 최외측 방향의 단부가 전지케이스(200)의 외측면보다 외측에 위치하는 경우, 함몰부(450)에서 함몰부(450)의 만입된 전지케이스(200) 최외측 방향의 단부와 전지케이스(200)의 외측면 사이의 리드 필름(400)을 거쳐 Z축 방향을 따라 가스가 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 리드 필름(400)의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 20 내지 60 barrer, 또는 30 내지 40 barrer일 수 있다. 예컨대, 상기 리드 필름(400)의 이산화탄소 투과도가 전술한 범위를 만족할 수 있다. 또한, 리드 필름(400)의 두께 200 ㎛ 기준으로 가스 투과도가 60℃에서 전술한 범위를 만족할 수 있다. 상기 리드 필름(400)의 가스 투과도가 전술한 범위를 만족하는 경우, 이차전지의 내부에서 발생하는 가스가 배출되기 더욱 효과적일 수 있다.
본 명세서에서, 가스 투과도는 ASTM F2476-20으로 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 리드 필름(400)의 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 0.02 내지 0.2 g, 또는 0.02 내지 0.04 g, 또는 0.06 g 또는 0.15 g일 수 있다. 상기 리드 필름(400)의 수분 침투량이 전술한 범위를 만족하는 경우, 상기 리드 필름(400)으로부터 유입되는 수분의 침투를 방지하기 더욱 효과적일 수 있다.
상기 리드 필름(400)의 수분 침투량은 ASTM F 1249 방식을 채택하여 측정할 수 있다. 이 때, MCOON사에서 공식인증된 장비를 사용하여 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 리드 필름(400)이 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 20 내지 60 barrer이면서 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 0.02 내지 0.2 g일 수 있다. 상기 리드 필름(400)의 가스 투과도 및 수분 침투량이 전술한 범위를 만족하는 경우, 이차전지의 내부에서 발생하는 가스를 배출하면서 외부로부터의 수분 침투를 방지하기 더욱 효과적일 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 리드 필름(400)이 폴리올레핀(Polyolefin)계 수지를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 리드 필름(400)이 전술한 가스 투과도 및/또는 수분 침투량 값을 만족하는 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있다. 상기 폴리올레핀계 수지는, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 소재를 포함할 수 있다. 상기 리드 필름(400)이 폴리프로필렌을 포함하면서 상기 리드 필름(400)의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 20 내지 60 barrer일 수 있다. 또한, 수분 침투량이 0.06 g 내지 0.15 g일 수 있다. 이 경우, 이차전지의 내부에서 발생하는 가스가 배출되기 더욱 효과적이면서 외부로부터의 수분 침투를 방지하기에도 용이할 수 있다.
또한 리드 필름(400)은 상술한 소재로 이루어져, 전지셀(100)의 기밀성을 유지할 수 있고, 내부 전해액의 누액 또한 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈은 상기에서 설명한 전지셀을 포함한다. 한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지팩을 형성할 수도 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리 범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 전지셀
110: 전극조립체
200: 전지케이스
210: 수납부
250: 실링부
300: 전극 리드
400: 리드 필름
410: 내부층
450: 함몰부
451: 제1 함몰부
455: 제2 함몰부

Claims (26)

  1. 전극조립체가 수납부에 장착되되, 외주변이 밀봉된 구조의 실링부를 포함하는 전지케이스;
    상기 전극조립체에 포함된 전극 탭과 전기적으로 연결되되, 상기 실링부를 경유하여 상기 전지케이스의 외측 방향으로 돌출되어 있는 전극 리드; 및
    상기 전극 리드의 상부 및 하부 중 적어도 하나에서, 상기 실링부에 대응되는 부분에 위치하는 리드 필름을 포함하고,
    상기 리드 필름은 상기 전지케이스의 외측 방향으로 만입된 함몰부가 형성되어 있고,
    상기 함몰부는 상기 전지케이스의 내부를 향해 개방되어 있고,
    상기 함몰부는 제1 함몰부 및 제2 함몰부를 포함하고,
    상기 제2 함몰부의 폭은 상기 제1 함몰부의 폭보다 크며,
    상기 리드 필름은 상기 전극 리드의 돌출 방향을 기준으로 상기 함몰부의 전면과 상기 함몰부의 상면을 감싸고,
    상기 전지케이스 내부에서 발생하는 가스가 상기 함몰부 및 상기 함몰부의 상면을 감싸는 리드 필름을 거쳐 상기 전지케이스의 외부로 배출되는 전지셀.
  2. 제1항에서,
    상기 제2 함몰부가 제1 함몰부보다 전극 조립체가 수납된 방향과 멀게 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 함몰부의 일부가 실링부와 대응되는 위치에 위치하는 전지셀.
  4. 제1항에서,
    상기 제2 함몰부의 일부가 실링부와 대응되지 않는 위치에 위치하는 전지셀.
  5. 제1항에서,
    상기 리드 필름의 폭은 상기 실링부의 폭보다 크되, 상기 전극 리드의 길이보다 작은 전지셀.
  6. 제5항에서,
    상기 제2 함몰부는 상기 실링부의 단부와 상기 리드 필름의 단부 사이에 위치하는 전지셀.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 함몰부는 상기 전극 리드의 돌출 방향을 따라 연장되어 있고,
    상기 제2 함몰부는 상기 실링부의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 전지셀.
  8. 제1항에서,
    상기 제2 함몰부의 형상이 원형, 삼각형, 사각형, 또는 요철모양인 전지셀.
  9. 제1항에서,
    상기 전극 리드의 돌출 방향을 기준으로 상기 함몰부의 내면은 폐쇄되어 있는 전지셀.
  10. 제9항에서,
    상기 리드 필름은 함몰부 내면 중 적어도 일면을 덮는 내부층을 더 포함하는 전지셀.
  11. 제10항에서,
    상기 내부층을 이루는 소재는, 상기 리드 필름을 이루는 소재 대비하여 녹는점이 높고, 전해액에 반응하지 않는 전지셀.
  12. 제1항에서,
    상기 리드 필름은 폴리올레핀 계열의 물질을 포함하는 전지셀.
  13. 제11항에서,
    상기 내부층은 폴리올레핀 계열, 불소 계열, 및 다공성 세라믹 계열 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 전지셀.
  14. 제1항에서,
    상기 함몰부는 상기 전극 리드 상에 위치하는 전지셀.
  15. 제1항에서,
    상기 리드 필름의 길이는 상기 전극 리드의 폭보다 큰 전지셀.
  16. 제15항에서,
    상기 함몰부는 상기 전극 리드의 단부와 상기 리드 필름의 단부 사이에 위치하는 전지셀.
  17. 제1항에서,
    상기 리드 필름은 제1 리드 필름 및 제2 리드 필름을 포함하고,
    상기 제1 리드 필름은 상기 전극 리드의 상부에 위치하고,
    상기 제2 리드 필름은 상기 전극 리드의 하부에 위치하는 전지셀.
  18. 제17항에서,
    상기 전극 리드는 상기 제1 리드 필름과 상기 제2 리드 필름 사이에 위치하되, 상기 제1 리드 필름과 상기 제2 리드 필름은 서로 연결되어 있는 전지셀.
  19. 제17항에서,
    상기 제1 리드 필름과 상기 제2 리드 필름 중 적어도 하나에 상기 함몰부가 위치하는 전지셀.
  20. 제1항에서,
    상기 함몰부의 전지케이스 최외측 방향의 단부는 상기 전지케이스의 외측면보다 외측에 위치하는 전지셀.
  21. 제1항에서,
    상기 함몰부의 전지케이스의 내부를 향해 개방되어 있는 단부는 상기 전지케이스의 내측면보다 내측에 위치하는 전지셀.
  22. 제1항에서,
    상기 전극 리드의 돌출 방향을 기준으로,
    상기 함몰부의 전면을 감싸는 리드 필름의 폭이 2 mm 이상인 전지셀.
  23. 제1항에서,
    상기 함몰부의 상면을 감싸는 리드 필름의 두께가 100 내지 300 ㎛인 전지셀.
  24. 제1항에서,
    상기 리드 필름의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 20 내지 60 barrer인 전지셀.
  25. 제1항에서,
    상기 리드 필름의 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 0.02 내지 0.2 g인 전지셀.
  26. 제1항에 따른 전지셀을 포함하는 전지 모듈.
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