KR20060102208A - 고출력 리튬 2차 전지 유닛셀의 적층 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 리튬 폴리머 유닛셀들 각각의 측면에 전극탭을 설치하고, 이들을 서로 교대로 적층함으로써 별도의 접속장치 없이 단지 적층에 의해 직렬 연결을 할 수 있는 리튬 폴리머 유닛셀의 적층구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 배터리 시스템은, 각각 파우치 및 상기 파우치의 일면에 접속되어 각각 상방 및 하방을 향하도록 휘어진 양극탭 및 음극탭을 포함하는 제1 유닛셀 및 제2 유닛셀을 포함하고, 상기 제2 유닛셀의 양극탭은 상기 제1 유닛셀의 음극탭과 직접 접속되고, 상기 제2 유닛셀의 음극탭은 상기 제1 유닛셀의 양극탭과 직접 접속되는 것을 특징으로 한다.
리튬 폴리머, 전지, 배터리, 2차 전지, 케이스, 파우치, 적층

Description

고출력 리튬 2차 전지 유닛셀의 적층 구조{Layer-up for high power lithium polymer battery}
도1은 종래의 파우치형 리튬 이차 전지의 구조를 나타낸다.
도2는 도1의 종래의 파우치형 리튬 이차 전지를 I-I 선을 따라 절개하여 확대 도시한 것이다.
도3은 본 발명에 따른 리튬 전지 유닛셀의 사시도이다.
도4는 본 발명에 따른 도3의 유닛셀 2개가 적층된 구조를 나타낸다.
도5는 본 발명에 따라 유닛셀을 담기 위한 메인 프레임의 사시도를 나타낸다.
도6은 본 발명에 따라 유닛셀을 덮기 위한 차단 프레임의 사시도를 나타낸다.
도7은 본 발명에 따른 유닛셀 적층 구조를 설명하는 도면이다.
도8은 본 발명에 따른 리튬 배터리 시스템의 적층 구조를 나타내는 사시도이다.
※ 도면의 주요 부분의 부호 설명 ※
31,31a,31b : 유닛셀 32,32a,32b : 양극탭
33,33a,33b : 음극탭 34 : 파우치
35 : 파우치와 전극탭 접속부
41 : 메인 프레임 42,52 : 탭지지부
43,53 : 지지그리드
44a,44b,44c,54a,54b,54c : 프레임 고정부
45,55 : 탭고정부 46,56 : 방열부
47,57 : 파우치 지지프레임 48a,48b,58a,58b : 프레임 연결부
51 : 차단 프레임
본 발명은 고출력 리튬 폴리머 유닛셀의 적층구조에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 다수의 리튬 폴리머 유닛셀들 각각의 측면에 전극탭을 설치하고, 이들을 서로 교대로 적층함으로써 별도의 접속장치 없이 단지 적층에 의해 직렬 연결을 할 수 있는 리튬 폴리머 유닛셀의 적층구조에 관한 것이다.
통상적으로, 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행중이다. 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지를 들 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차 전지는 다양한 형태로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있다. 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)으로 제조되어서, 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한 리튬 폴리머 전지는 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다고 할 것이다.
도1을 참조하면, 종래의 파우치형 리튬 이차 전지(10)는 전지부(11)와, 상기 전지부(11)가 수용되는 공간(12a)을 제공하는 케이스(12)를 포함하고 있다.
상기 전지부(11)는 양극판, 세퍼레이터, 음극판 순으로 배치되어서 일방향으로 와인딩되거나, 다수장의 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 적층된 형상이다. 상기 전지부(11)의 각 극판은 양극 및 음극탭(13,14)과 전기적으로 연결되어 있다.
상기 양극 및 음극 탭(13,14)의 일단부는 케이스(12)의 밀폐면(12b)을 통하여 외부로 돌출되어 있다. 돌출된 양극 및 음극탭(13,14)의 일단부는 도시되지 않은 보호 회로기판의 단자와 접속된다.
상기 양극 및 음극탭(13,14)의 외면에는 이와 밀폐면(12b)과 접촉하는 부분에서 상기 케이스(12)와 전극탭(13,14)과의 전기적 단락을 방지하기 위하여 각각의 밀폐 테이프(15)가 감겨져 있다.
상기 케이스(12)는 후막의 금소재로 성형한 원통형이나 각형으로 된 캔 구조와는 달리, 중간층이 금속 호일이고, 금속 호일의 양면에 부착되는 내외피층이 절연성 필름으로 이루어진 파우치형 케이스이다. 파우치형 케이스는 성형성이 우수하여 자유자재로 구부림이 가능하다. 상기 케이스(12)에는 상술한 바와 같이 전지부(11)가 수용가능한 공간부(12a)가 형성되어 있으며, 상기 공간부(12a)의 가장자리를 따라서 열융착되는 면에 제공하는 밀폐면(12b)이 형성되어 있다.
도2는 도1의 I-I 선을 따라 절개하여 확대 도시한 것이다.
도면을 참조하면, 상기 케이스(12)는 금속 호일, 이를테면 알루미늄 호일로 된 중간층(12c)과, 상기 중간층(12c)의 내면 및 외면에 부착되어서 상기 중간층(12c)을 보호하는 절연성 필름으로 된 내피층(12d)과 외피층(12e)으로 이루어진 복합 필름이다.
상기 케이스(12)내에 형성된 공간(12a)에는 양극판(11a), 세퍼레이터(11c), 음극판(11b) 순으로 배치된 전지부(11)가 수용되어 있으며, 상기 양극 및 음극판(11a,11b)으로부터는 도1에서처럼 양극탭(13)과, 음극탭(14)이 인출되어 있다. 인출된 전극탭(13,14)의 단부는 케이스(12)의 밀폐면(12b)을 통하여 외부로 노출되어 있으며, 상기 밀폐면(12b)에서는 전극탭(13,14)의 외면에 밀폐 테이프(15)가 감싸져 있다.
상기와 같은 구조를 가지는 파우치형 리튬 이차 전지(10)는 양극판(11a)과 음극판(11b)에 양극 및 음극탭(13,14)을 전기적으로 연결한 다음 양극판 (11a,11c,11b) 순으로 배치한 상태에서 일방향으로 와인딩하여 전지부(11)를 완성하게 된다.
완성된 전지부(11)는 드로잉(drawing) 공정을 통하여 공간(12a)이 마련된 케이스(12) 내에 실장되고, 실장시 각 전극탭(13,14)의 일단부는 케이스(12)의 외부로 노출시킨다. 이와 같은 상태에서, 상기 케이스(12)의 밀폐면(12b)에 소정의 열과 압력을 인가하여 열융착하여서 파우치형 리튬 이차 전지(10)를 완성하게 된다. 완성된 파우치형 리튬 이차 전지(10)는 전지 구조를 안정화시키기 위하여 충전, 에이징, 방전등 일련의 화성 공정(formation process)을 거쳐서 전지의 이상 유무를 선별하게 된다.
이와 관련하여, 한국공개특허공보 2005-594호는 파우치형 리튬 이차 전지를 케이싱하는 방법을 개시하고 있다. 위 문헌의 파우치형 리튬 이차 전지는 케이스의 금속층과 양극탭에 동일한 양극 전위를 인가함에 따라서, 케이스의 내피층의 파괴로 인하여 음극탭과 케이스의 금속층과의 접촉시 단락을 유발시켜서 개로 회로 전압 차이를 손쉽게 검출할 수 있는 구조를 갖는다.
한편, 하이브리드 자동차 등 고출력의 리튬 전지가 요구되는 경우에 도1 및 도2에 도시된 파우치를 수십에서 수백개 적층하여 이를 직렬 연결하여 고전압을 얻게 된다.
이러한 파우치형 리튬 폴리머 전지는 쉽게 휘어지거나 구부러질 수 있는 연약한 알루미늄 파우치로 구성되어 있어 견고한 케이스 장치로 보호해 주어야 장시간 사용할 수 있으나, 종래에는 이러한 직렬 연결을 위해 각 파우치의 양극탭 및 음극탭을 회로 패턴이 형성되어 있는 PCB (Printed Circuit Board; 인쇄회로기판)에 의해 연결하고 이를 케이스에 담는 방식을 사용하였다.
그러나, 이러한 종래의 리튬 폴리머 파우치를 적층하여 고출력 리튬 전지를 구성하는 방법에 따르면, 연약한 구조인 리튬 폴리머 파우치를 완전하게 보호할 수 없고, 파우치를 여러개 적층하여 PCB로 연결하는 방식도 완전하지 않아 외부 충격 등의 환경 변화에 강하지 못하다는 단점이 있었다.
고출력 전원으로 사용되는 리튬 전지를 구성하는 파우치 유닛들을 보다 견고하고 안정적으로 적층하고, 이들을 신뢰성 있게 직렬연결할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 위와 같은 필요에 의해 고안된 것으로서, 다수의 리튬 전지 유닛셀들을 견고하고 안정적으로 적층할 수 있는 구조를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 다수의 리튬 전지 유닛셀들을 별도의 연결 소자없이 적층과 함께 직접 접속시킬 수 있는 적층구조를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 다수의 리튬 전지 유닛셀들을 별도의 고정장치 없이 쉽게 적층할 수 있는 적층 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 배터리 시스템은, 각각 파우치 및 상기 파우치의 일면에 접속되어 각각 상방 및 하방을 향하도록 휘어진 양극탭 및 음극탭을 포함하는 제1 유닛셀 및 제2 유닛셀을 포함하고, 상기 제2 유닛셀의 양극탭은 상기 제1 유닛셀의 음극탭과 직접 접속되고, 상기 제2 유닛셀의 음극탭은 상기 제1 유닛셀의 양극탭과 직접 접속되는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명한다.
도3은 본 발명에 따른 리튬 전지 유닛셀(31)의 사시도이다.
본 발명에 따른 리튬 전지 유닛셀(31)은 내부에 리튬 2차 전지 구조를 포함하는 파우치(34)와 그 파우치(34)의 일면에 선반형으로 형성된 한쌍의 양극탭(32) 및 음극탭(33)으로 구성된다.
파우치(34)는 도2에 도시된 바와 같은 통상적인 종래의 파우치형 리튬 이차전지의 구조, 즉 양극판, 음극판 및 세퍼레이터가 차례로 수회 적층된 구조일 수 있다. 또한, 이러한 구성의 파우치는 금속이나 플라스틱등과 같이 리지드하지 않고 유연성을 갖는다.
양극탭(32) 및 음극탭(33)은 각각 상기 파우치(34) 내부의 양극판 및 음극판(미도시)에 접속되어 있으며, 그 끝단이 각각 상기 파우치(34)에 대해 서로 반대 방향으로 구부러져 있다.
바람직하게는, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 양극탭(32) 및 음극탭(33)과 파우치(34)의 접속부(35)에는 다른 유닛셀의 전극탭들과의 접속을 용이하게 하기 위해 단차를 갖는다.
바람직하게는, 상기 양극탭(32)은 알루미늄으로, 상기 음극탭(33)은 니켈 또는 구리로 형성될 수 있다.
도4는 본 발명에 따른 도3의 유닛셀 2개(31a,31b)가 적층된 구조를 나타낸다.
도4에 도시된 제1 유닛셀(31a) 및 제2 유닛셀(31b)은 동일한 형상을 가지며, 각각의 양극탭 및 음극탭의 끝단은 서로 반대 방향으로 구부러져 있다.
동일한 형태의 유닛셀들을 뒤집어서 적층하면 도4에 도시된 형태를 띄며, 각각의 양극탭 및 음극탭이 서로 교대로 접속되어 결국 2개의 유닛셀이 직렬 연결된 형태가 된다.
즉, 도4에 도시된 바와 같이, 제1 유닛셀(31a)의 양극탭(32a)의 끝단은 하방으로 구부러져 있고, 음극탭(33a)의 끝단은 상방으로 구부러져 있다. 또한, 제2 유닛셀(31b)의 음극탭(33b)은 상방으로 구부러져 있고, 양극탭(32b)의 끝단은 하방으로 구부러져 있다.
제1 유닛셀(31a)의 양극탭(32a)은 제2 유닛셀(31b)의 음극탭(33b)과 접속되고, 제1 유닛셀(31a)의 음극탭(33a)은 제2 유닛셀(31b)의 양극탭(32b)과 접속된다.
이와 같은 구성에 의해, 제1 유닛셀(31a) 및 제2 유닛셀(31b)은 종래 기술에서의 PCB 등과 같은 별도의 접속 유닛 없이도 단지 적층에 의해 직렬 연결될 수 있으며, 그 접촉 저항도 매우 낮아지게 된다.
도4에 도시된 적층 구조에 필요에 따라 추가적인 유닛셀들이 적층될 수 있다. 추가적인 유닛셀들도 양극탭과 음극탭들이 교대로 접속되어 직렬 연결되는 형태가 되도록 적층된다.
도5는 본 발명에 따라 도3의 파우치 및 전극탭으로 구성된 유닛셀 또는 기타 파우치 또는 전극탭으로 구성된 배터리 유닛을 포장하기 위한 메인 프레임(41)의 사시도를 나타낸다.
메인 프레임(41)은 유닛셀의 파우치를 지지하는 파우치 지지프레임(47), 파우치 지지프레임(47)의 일측면에 선반형으로 부착된 방열부(46) 및 상기 방열부(46)의 측벽에 벽형상으로 부착되어 유닛셀의 전극탭을 지지하는 탭지지부(42)로 구성된다.
메인 프레임(41) 전체는 일체화된 플라스틱 성형물로 제조하는 것이 바람직하다.
파우치 지지프레임(47)은 파우치를 담아서 그 외부면에 의해 파우치를 지지하는 역할을 하고, 방열부(46)는 파우치에서 발생하는 열을 방출시키는 역할을 한다.
도5에 도시된 바와 같이, 파우치 지지프레임(47)은 그 내부에 파우치를 담을 수 있도록 소정의 깊이를 갖는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 파우치 지지프레임(47)은 그 내부에 지지격자(43)를 포함하며, 지지격자(43)는 메인 프레임(41)에 담기는 파우치를 안정적으로 받쳐주는 역할을 한다.
파우치 지지프레임(47)은 다른 프레임과 접속되어 나사 등으로 고정할 수 있는 프레임 고정부(44a,44b)를 포함할 수 있다.
탭지지부(42)는 유닛셀의 양극탭 및 음극탭을 지지하여 주는 역할을 하고, 바람직하게는 양극탭 및 음극탭을 나사 등으로 고정할 수 있도록 탭고정부(45)를 포함할 수 있다.
또한, 탭지지부(42)의 양끝단에는 다른 프레임과 접속시 다른 프레임의 프레임연결부와 접속고정되도록 프레임 연결부(48a,48b)가 형성된다. 바람직하게는 다른 프레임과의 접속을 위한 또다른 프레임 고정부(44c)를 포함할 수 있다.
도6은 도5의 메인 프레임(41) 위에 적층되면서, 메인 프레임(41)에 접속 고정되어 유닛셀을 덮는 차단 프레임(51)의 사시도를 나타낸다.
차단 프레임(51)은 메인 프레임(41)과 마찬가지로 유닛셀의 파우치를 지지하는 파우치 지지프레임(57), 파우치 지지프레임(57)의 일측면에 선반형으로 부착된 방열부(56) 및 상기 방열부(56)의 측벽에 벽형상으로 부착되어 유닛셀의 전극탭을 지지하는 탭지지부(52)로 구성된다.
차단 프레임(41) 전체는 일체화된 플라스틱 성형물로 제조하는 것이 바람직하다.
메인 프레임(41) 및 차단 프레임(51)은 배터리 케이스를 구성하게 된다. 차단 프레임(51)은 메인 프레임(41)에 적층되어 접속 고정되며, 바람직하게는 메인 프레임(41)을 덮는 뚜껑과 같은 역할을 한다. 이때, 메인 프레임(41)의 프레임 연결부(48a,48b)는 각각 차단 프레임(51)의 프레임 연결부(58a,58b)와 접속 고정된 다.
즉, 메인 프레임(41)에 유닛셀을 담고, 차단 프레임(51)은 그 위를 덮어서 유닛셀을 안정적으로 케이싱하게 된다.
도7은 이와같은 적층 구조를 설명하는 도면으로서, 메인 프레임(41)과 차단 프레임(51)을 교대로 적층하고 그 사이사이에 도3에 도시된 유닛셀들을 삽입하되, 유닛셀들의 전극탭은 그 양극탭과 음극탭이 서로 교차되어 직렬연결되도록 적층하게 된다.
이러한 적층 구조에 의해 메인 프레임(41) 및 차단 프레임(51) 사이는 별도의 고정 장치나 접속 장치 없이도 안정적으로 접속고정될 수 있으며, 그 구조 내에 유연성을 갖는 유닛셀들이 삽입될 수 있다.
또한, 필요에 따라 파우치 지지프레임(47,57)이나 탭지지부(42,52)에 형성된 프레임 고정부(44a,44b,44c,54a,54b,54c)에 나사나 볼트를 이용하여 고정함으로써 그 안정도를 높일 수 있다. 또한, 탭지지부(42,52)에 형성된 탭고정부(45,55)에 나사나 볼트를 이용하여 전극탭을 고정할 수 있다.
메인 프레임, 유닛셀 및 차단 프레임을 한 단위로 하여, 그 사이에 또다른 유닛셀을 삽입하면서 추가적으로 적층하면서, 다수의, 예컨대 100개의 유닛셀들을 직렬연결한 구조를 형성할 수 있다.
도8은 이와같은 적층 방식에 의해 적층된 복수의 메인 프레임 및 차단 프레임과 그 사이사이에 삽입된 유닛셀을 포함하는 리튬 배터리 시스템의 적층 구조를 나타내는 사시도이다.
본 발명에 따르면, 다수의 리튬 전지 유닛셀들을 견고하고 안정적으로 적층할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다수의 리튬 전지 유닛셀들을 별도의 연결 장치없이 적층과 함께 직접 접속시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다수의 리튬 전지 유닛셀들을 별도의 고정장치 없이 쉽게 적층할 수 있다.
이상 본 발명을 실시예를 통해 설명하였으나, 본 발명의 범위가 상기 실시예로 한정되는 것이 아니며 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다. 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위의 해석에 의해서만 한정된다.

Claims (3)

  1. 각각 파우치 및 상기 파우치의 일면에 접속되어 각각 상방 및 하방을 향하도록 휘어진 양극탭 및 음극탭을 포함하는 제1 유닛셀 및 제2 유닛셀을 포함하고,
    상기 제2 유닛셀의 양극탭은 상기 제1 유닛셀의 음극탭과 직접 접속되고, 상기 제2 유닛셀의 음극탭은 상기 제1 유닛셀의 양극탭과 직접 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유닛셀 및 제2 유닛셀의 양극탭 및 음극탭은 각각 상기 파우치의 일면에 선반형으로 접속된 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 유닛셀 및 제2 유닛셀과 동일한 형태이며, 상기 제1 유닛셀 및 제2 유닛셀 위에 추가적으로 적층되고, 상기 제1 유닛셀 또는 제2 유닛셀의 양극탭 및 음극탭에 교대로 직접 접속되는 양극탭 및 음극탭을 포함하는 적어도 하나의 유닛셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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