KR20070055673A - 측면 실링부에 ｐｃｍ이 장착되어 있는 소형 전지팩 - Google Patents

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KR20070055673A
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Abstract

본 발명은 전극조립체가 내장되는 전지케이스로서 고강도의 라미네이트 시트를 사용하고, 전지케이스의 측면 실링부 자체를 특정한 형상으로 만들며, 그러한 측면 실링부의 내부공간에 PCM을 위치시킴으로써, 측면 실링부 자체가 전지팩의 외부 형상을 결정하는 구조체로서 사용됨과 동시에 PCM의 장착공간으로 사용되어, 별도의 팩 외장부재를 사용하지 않고도 전지팩을 구성하고 조립공정이 간단하며 저렴하면서 더욱 얇고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있는 전지팩을 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 전지팩은 PCM이 전극단자와 이격되어 전지셀의 측면에 위치하므로, 전지팩의 낙하 등과 같은 외부충격에 대해 높은 안전성을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

측면 실링부에 ＰＣＭ이 장착되어 있는 소형 전지팩 {Small Battery Pack Employing PCM on Side Sealing Part}
도 1은 일반적인 파우치형 전지의 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 파우치형 전지의 결합 상태의 사시도이다;
도 3은 파우치형 전지가 내장되어 있는 종래기술의 전지팩의 사시도이다;
도 4는 도 3의 전지팩의 분리 사시도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지의 모식도이다;
도 6은 도 5의 A-A 부위의 수직 단면도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예 따른 전지셀의 모식도이다;
도 8은 도 7의 D 부위의 수직 단면에 대한 확대도이다;
도 9 및 10은 본 발명의 또다른 실시예들 따른 전지셀들의 모식도들이다;
도 11 내지 15는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 도 6에서와 같은 전지셀을 사용하여 전지팩을 제조하는 하나의 예시적인 과정도들이다.
본 발명은 측면 실링부에 보호회로모듈(Protection Circuit Module: PCM)을 포함하고 있는 슬림형 소형 전지팩에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 수지층과 금속층을 포함하고 있는 고강도 소재의 라미네이트 시트형 전지케이스의 수납부에 전극조립체가 내장된 상태로 밀봉되어 있고, 상기 전지케이스의 측면 실링부는 굴곡 외주면을 형성하면서 상기 수납부의 측부를 향해 절곡되어 있으며, PCM이 상기 측면 실링부의 내부공간에 위치되어 있는 전지팩을 제공한다. 이러한 전지팩은, 박스형 케이스, 프레임 등과 같은 별도의 팩 외장부재를 사용하지 않음으로써 더욱 콤팩트하고 얇은 구조로 제조될 수 있으며, PCM이 전지셀의 전극단자로부터 이격되어 있어서 낙하와 같은 외부 충격에 대한 안전성이 더욱 향상된다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 전지는 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 밀봉되어 있는 전지를 말한다. 전지케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형(권취형) 또는 스택형(적층형)의 구조로 이루어져 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지를 조립한 상태의 평면 투시도가 모식적으로 도시되어 있다.
우선, 도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 파우치형 전지케이스(20) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 고체 전해질 코팅 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(40, 41)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일체로서 연결되어 있는 덮개(22)로 이루어져 있다.
케이스 본체(21)와 커버(22)는 ONy(연신 나일론 필름)으로 이루어진 외부 피복층(20a), 일반 알루미늄 금속으로 이루어진 배리어층(20b) 및 CPP(무연신 폴리프로필렌 필름)로 이루어진 내부 실란트층(20c)으로 구성되어 있고, 내부 실란트층(20c)의 테두리에는 핫멜트층(도시되지 않음)이 코팅되어 있어서, 케이스 본체(20)의 상단부(24)와 커버(22)의 상단부가 열융착기(도시하지 않음)로부터의 열과 압력에 의해 밀착 고정될 수 있게 된다.
스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 각각 융착되어 전극리드(40, 41)에 함께 결합되어 있다. 또한, 케이스 본체(21)의 상단부(24)와 커버(22)의 상단부가 열융착기에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극리드(40, 41) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극리드(40, 41)와 전지케이스(20)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극리드(40, 41)의 상하면에 절연필름(50)이 부착된다.
전해질이 함침된 전극조립체(30)를 수납부(23)에 안착한 상태에서 케이스 본체(21)와 커버(22)의 접촉부위를 열융착시키면, 도 2에서와 같이 상단 실링부(25)와 측면 실링부(26)가 형성된다. 측면 실링부(26)는 불필요하게 양측 방향으로 연장되어 있으므로 전지팩의 제조를 위해 수직으로 절곡한다.
이러한 파우치 전지(10)는 케이스 본체(21)와 커버(22)가 ONy(연신 나일론 필름)으로 이루어진 외부 피복층(20a), 일반 알루미늄 금속으로 이루어진 배리어층(20b) 및 CPP(무연신 폴리프로필렌 필름)로 이루어진 내부 실란트층(20c)의 구조로 구성되어 있었기 때문에, 물리적 충격을 받거나 또는 뾰족한 물체에 의해 눌려질 때, 케이스 본체(21)와 커버(22)가 쉽게 손상되어 발화 또는 폭발되는 문제점이 있다.
따라서, 일반적으로는 측면 실링부(26)가 수직으로 절곡되어 형성된 전지셀(10')을 소정의 기계적 강성을 가지는 케이스(도시하지 않음) 등에 내장하여 전지팩을 구성한다.
도 3 및 4에는 그러한 전지팩의 대표적인 구조와 조립 전의 분리 상태도가 각각 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩(60)은, 양극, 음극 및 분리막의 전극조립체와 전해질이 밀봉된 상태로 내장되어 있는 전지셀(10'), 전지셀(10')을 수납할 수 있는 내부공간을 가진 팩 케이스 본체(70)와, 전지셀(10')이 수납되어 있는 팩 케이스 본체(70) 위에 결합되어 전지셀(10')을 밀봉하는 상부 덮개(80)로 이루어져 있다. 팩 케이스 본체(70)와 전지셀(10') 사이 및 상부 덮개(72)와 전지셀(10') 사이에는 각각 양면 테이프(80)가 부착되어 있다.
일반적으로, 이러한 구조의 전지팩(60)은 각각 PC, ABS 등과 같은 플라스틱 재질로 되어 있는 팩 케이스 본체(70)와 상부 덮개(72)를 초음파 용착법에 의해 상호 결합시킴으로써 조립된다. 상기 초음파 용착법(ultrasonic welding method)이란, 예를 들어, 20,000 Hz의 고주파를 이용한 진동으로 마찰열을 일으켜 두 피접착면을 용융 접착시키는 방법이다.
그러나, 더욱 얇은 두께의 전지팩에 대한 수요가 늘어남에 따라 최근에는 팩 케이스 본체(70)와 상부 덮개(72)의 두께가 각각 0.3 ~ 0.35 mm로 까지 얇아지면서, 그에 따라 금형가공 및 사출성형에 어려움이 크고, 용착강도가 약해지는 등 용착 불량률이 높아지고 있다.
또한, 금속 캔(can)을 케이스로 사용하는 전지(이른바, 각형 전지)의 경우, 금속 캔의 특성상 얇은 두께의 케이스로도 외부충격에 대한 적정한 강도를 제공함에 반하여, 도 1에서와 같은 구조의 파우치형 전지(10) 등은 구조적으로 외부충격에 대한 강도가 작기 때문에 두께가 얇은 팩 케이스의 적용에 한계가 있다.
더욱이, 보호회로 모듈(PCM: 90)이 전지셀(10')의 상단, 즉, 전극단자(도시하지 않음)에 접하여 연결되어 있으므로, 전지셀(10')의 낙하와 같은 외부 충격의 인가시 단락이 유발될 가능성이 높다. 예를 들어, 전지셀(10')이 전극단자 방향으로 바닥에 떨어지면, 전지셀(10')이 앞으로 쏠리면서 PCM(90)과 접촉하게 되고, 이때, 전극단자가 PCM(90)의 회로에 접속되어 단락이 유발될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 전지팩의 안전성을 테스트 할 때, 전방 방향으로의 드롭 테스트(drop test)를 수행하여 단락의 여부를 체크하고 있다. 이러한 단락 가능성은 전지팩의 구조가 콤팩트하고 슬림한 구조로 변경되면서 더욱 높아지고 있다.
따라서, 제작이 용이하고, 외부충격에 적정한 강도와 쇼트 내지 단전에 우수한 대항성을 가지며, 더욱 콤팩트하고 얇은 전지팩에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 조립공정이 간단하여 제조비용을 낮출 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 박스형의 케이스, 프레임 등과 같은 종래의 팩 외장부재를 사용하지 않고도 소정의 강도를 가짐으로써 매우 얇고 콤팩트한 구조의 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 전지팩의 낙하와 같은 외부충격으로 인한 단락에 우수한 대항성을 가지는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 수지층과 금속층을 포함하고 있는 고강도 소재의 라미네이트 시트 파우치형 전지케이스의 수납부에 전극조립체가 내장된 상태로 밀봉되어 있고, 상기 전지케이스의 측면 실링부는 굴곡 외주면을 형성하면서 그것의 단부가 상기 수납부를 향하도록 절곡되어 있으며, 보호회로모듈(PCM)이 상기 절곡된 측면 실링부의 내부공간에 위치되어 있는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 별도의 팩 외장부재를 사용하지 않고도 전지팩을 구성함으로써 조립공정이 간단하고 저렴하면서 더욱 얇고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 외부충격에 대해 안전성을 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 특징은, 전극조립체가 내장되는 전지케이스로서 고강도의 라미네이트 시트를 사용하고, 전지케이스의 측면 실링부 자체를 특정한 형상으로 만들며, PCM을 절곡된 측면 실링부의 내부공간에 위치시킴으로써 얻어질 수 있다.
상기 고강도 라미네이트 시트의 바람직한 예로는, 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성된 라미네이트 시트로서, 베리어층의 상기 금속박은 알루미늄 합금으로 이루어져 있고, 상기 외부 피복층이 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외 부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있으며, 6.5 kgf 이상의 침상 관통력을 갖는 시트를 들 수 있다. 이에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 국제출원 제PCT/KR2005/3436호에 기재되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
이러한 고강도 라미네이트 시트에서, 상기 금속박은 물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 가지도록 구성됨으로써, 외부 피복층 또는 그것의 외면에 별도로 부가된 수지층과 함께 높은 강도를 부여한다.
상기 침상 관통력은 FTMS 101C 기준 측정방식으로 측정된 관통력을 의미하는 바, 종래의 라미네이트 시트형 전지케이스가 대략 5.0 kgf의 침상 관통력을 가짐에 비해 상기 전지케이스는 적어도 6.5 kgf 이상, 바람직하게는 6.5 ~ 10.0 kgf, 더욱 바람직하게는 7.0 ~ 8.5 kgf의 침상 관통력을 가진다. 상기 범위의 침상 관통력은 전지의 사용시 다양한 침상부재에 의해 전지가 훼손될 수 있는 가능성에 대응하여 전지의 안전성이 보장되는 범위라 할 수 있다.
강도의 증가에 기여하는 상기 베리어층은 20 ~ 150 ㎛의 두께를 가지며, 두께가 너무 얇으면 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
베리어층을 구성하는 상기 알루미늄 합금은 합금 성분에 따라 강도에 차이가 있으며, 다음의 것으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 합금번호 8079, 1N30, 8021, 3003, 3004, 3005, 3104, 3105 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 그 중에서도 8079, 1N30, 8021 및 3004이 베리어층의 금속박으로서 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 외부 피복층의 고분자 필름은 바람직하게는 5 ~ 40 ㎛의 두께를 가지며, 너무 얇은 경우에는 소정의 강도를 제공하지 못하고, 반대로 너무 두꺼우면 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다. 본 발명에서 상기 외부 피복층의 고분자 필름은 선택적으로 PEN으로 구성될 수 있으며, PEN으로 구성되지 않는 경우에는 바람직하게는 연신 나일론 필름으로 구성될 수 있다.
외부 피복층의 외면에 PET 층이 선택적으로 부가되는 경우, 상기 PET 층은 바람직하게는 5 ~ 30 ㎛의 두께를 가지며, 너무 얇은 경우에는 부가에 따른 강도의 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
외부 피복층으로서의 PEN 필름의 사용과 외부 피복층 외면에 대한 PET 층의 부가가 선택적 사항이라 하더라도, 이들 중의 적어도 하나의 적용에 의해 상기 소정의 침상 관통력이 얻어질 수 있어야 한다. 또한, 이들의 동시 사용에 의해 더욱 강도가 얻어질 수도 있다.
상기 내부 실란트층은 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어져 있고 30 ~ 150 ㎛의 두께를 가진다.
상기와 같은 구조의 라미네이트 시트는 매우 우수한 강도를 나타내므로 별도의 팩 외장부재를 사용하지 않고도 그 자체로서 전지팩에 요구되는 기계적 물성, 즉, 우수한 인장강도, 충격강도 및 내구성을 제공한다.
상기 라미네이트 시트는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 각각의 층들을 구성하는 필름, 금속박 등을 순차적으로 적층한 후 상호 접착하여 제조할 수 있으며, 그러한 접착 방법으로는 건식 라미네이션(Dry Lamination), 또는 압출 라미네이션(Extrusion Lamination) 방법들이 이용될 수 있다. 상기 건식 라미네이션 방법은 접착제를 일측 소재와 타측 소재 사이에 개재시켜 건조한 후 가열롤(Heating Roll)을 이용하여 그 두 소재를 상온보다 높은 온도와 압력에 의해 상호 접착시키는 방법이다. 또한, 상기 압출 라미네이션 방법은 접착제를 일측 소재와 타측 소재 사이에 개재시킨 후 프레싱롤(Pressing Roll)을 이용하여 그 두 소재를 상온에서 일정 압력에 의해 상호 접착시키는 방법이다.
상기 고강도 라미네이트 시트는 종래의 라미네이트 시트에 비해 월등히 우수한 기계적 강도를 나타내므로, 소정의 기계력을 가하여 일단 특정한 형태로 변형시켰을 때에는 상기 기계력 이하의 힘이 인가되더라도 변형된 상태를 그대로 유지할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 종래의 파우치형 전지에서 무용한 부위였던 양 측면 실링부를 변형시켜 굴곡 외주면을 형성함으로써 그 자체로서 유용한 역할을 하도록 구성하였다.
두 개의 라미네이트 시트(케이스 본체와 커버)가 열융착되어 형성된 측면 실링부는 얇은 판상 구조를 이루므로, 상기 실링부의 단부는 상대적으로 날카롭다. 도 3 및 4에서 보는 바와 같이, 종래의 전지팩에서는 측면 실링부를 수직으로 접어 팩 외장부재(케이스 등)의 안쪽에 위치시켰다. 반면에, 본원발명에서는 전지팩의 구성시 별도의 팩 외장부재를 사용하지 않고 측면 실링부가 전지팩의 외형 일부를 형성하게 된다. 따라서, 상기 측면 실링부는 굴곡 외주면을 형성하면서 실링부의 단부가 안쪽을 향하도록 처리되므로, 결과적으로 전극조립체 수납부의 전지케이스 외면을 감싸도록 변형된다. 더욱이, 굴곡 외주면을 형성하도록 변형된 측면 실링부는 완만한 외면(측면)을 형성하므로, 외면에 외장필름을 도포하는 경우에 부착이 용이하고, 완만한 측면을 가진 전지팩은 디바이스에 장착하기 용이하다는 점 등의 잇점을 가진다.
상기 굴곡 외주면은 측면 실링부의 단부가 전극조립체 수납부 방향, 즉, 안쪽 방향으로 향하도록 절곡되면서 그러한 절곡면이 완만한 곡선 또는 각지지 않은 모서리를 형성하는 구조를 의미한다. 따라서, 상기 굴곡 외주면은 다양한 구조일 수 있으며, 바람직하게는 수직 단면상으로 원호 구조일 수 있다.
안쪽으로 완만하게 절곡된 측면 실링부의 단부는 전극조립체 수납부의 전지케이스 외면에 직접 접촉할 수도 있지만, 그로부터 약간 이격될 수도 있다.
본 발명에 따르면 PCM이 상기 측면 실링부의 내부공간에 장착되어 있으므로, 측면 실링부는 PCM의 장착 공간으로도 사용되어 더욱 콤팩트한 구조의 전지팩을 제공한다. 상기 PCM는 전지셀의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하는 보호회로를 포함하고 있는 소자로서 바람직하게는 PCB 형태로 되어 있다. 하나의 실시예에서, 전지케이스의 외면과 PCM 사이에 절연시트가 개재되어, 전기절연성을 더욱 높일 수 있다.
PCM은 측면 실링부의 내부공간에 별도의 부재를 사용하지 않고도 안정적으로 고정될 수 있으며, 바람직하게는 PCM의 외면을 따라 모서리가 각지지 않게 굴곡 외주면을 형성하면서 PCM에 밀착되도록 측면 실링부를 형성할 수 있다. 예를 들어, PCM이 수직 단면상으로 사각형 형태일 때, 측면 실링부 역시 그에 대응하는 사각형 형태이며 모서리가 대략 작은 원호를 형성하도록 절곡되어 있는 구조를 들 수 있다.
경우에 따라서는, 측면 실링부 내부공간에 대한 PCM의 안정적인 고정을 위해 접착제, 양면 접착테이프, 삽입부재 등이 해당 부위에 사용될 수도 있다.
PCM은 전지셀의 양 측면 실링부의 내부공간 중 어느 하나에 장착될 수 있고, 경우에 따라서는 두 개의 PCM이 각각의 측면 실링부 내부공간에 장착될 수도 있다.
측면 실링부 내부공간에 장착된 PCM과 전지셀 상단의 전극단자들의 전기적 연결을 위해 접속부재가 사용되며, 이러한 접속부재는 전기적 연결을 위한 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 전지셀의 외면 형상으로 절곡되어 있는 니켈 플레이트의 버스 바일 수 있다.
전지셀의 상단은 전극단자가 접속부재와 연결되는 부위라는 점 이외에는 별도의 기능을 갖지 않으므로, 가능하면 높이를 낮추어 전지셀의 전체 크기를 줄이는 것이 바람직하다. 따라서, 하나의 바람직한 예에서, 상단 실링부를 수직으로 상향 절곡하여 전지셀의 본체에 밀착시키고 전극단자를 수직으로 하향 절곡하여 상기 상단 실링부에 밀착시킨 상태에서 상기 전극단자를 접속부재에 연결한 구조일 수 있다. 절연성을 보장하기 위하여 절곡된 상단 실링부와 전극단자 사이에 절연시트를 개재할 수도 있다. 이러한 전지셀의 상단을 외부로부터 보호하기 위하여 탑 캡을 그것의 외면에 추가로 장착할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 탑 캡은 절곡된 측면 실링부의 내부공간에 대응하는 단면 형상의 하단 연장부를 포함하고 있다. 따라서, 상기 하단 연장부를 측면 실링부의 내부공간에 삽입함으로써 전지셀에 대한 탑 캡의 체결을 용이하게 달성할 수 있다.
본 발명에서는 측면 실링부를 소정의 형태로 완만하게 절곡하여야 하므로, 상단 실링부와 측면 실링부가 교차하는 전지케이스의 상단 양측 모서리를 소정의 크기로 절취함으로써, 상단 실링부의 절곡을 용이하게 할 수 있다.
전지의 외부 입출력 단자는 전지셀의 상단 또는 하단에 위치할 수 있으며, 바람직하게는 전지셀의 하단에 위치시킨다. 예를 들어, 외부 입출력 단자가 형성되는 있는 전기절연성의 캡(하단 캡)을 전지셀의 하단에 장착할 수 있다. 하단 캡 역시 상기 절곡된 측면 실링부의 내부공간에 대응하는 단면 형상의 하단 연장부를 포함하고 있는 경우에, 상기 하단 연장부를 측면 실링부의 내부공간에 삽입함으로써 전지셀에 대한 하단 캡의 체결을 용이하게 달성할 수 있다. 상기 외부 입출력 단자와 PCM의 전기적 연결 역시 버스 바 등의 접속부재에 의해 달성될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 전지셀의 상단과 하단에 각각 탑 캡 및 하단 캡을 장착한 상태에서 전지셀의 외면을 외장필름으로 도포할 수 있다. 외장필름은 전지셀의 외면을 감싸는 형태로 부착되는데, 측면 실링부의 단부와 전지케이스 사이에 이물질이 유입되는 것을 방지하고 탑 캡 및 하단 캡과 전지셀의 결합력을 놓여 주 는 등의 작용을 한다. 외장필름의 외면에는 제품 표시, 제조자 표시, 제품 사용방법, 주의사항 등을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지(100)의 모식도가 도시되어 있다. 도 5의 파우치형 전지는 도 1 및 도 2에서 설명한 종래의 파우치형 전지(10)와 대략 동일하므로, 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들에 대한 설명은 생략한다.
전극조립체를 내장한 상태에서 상단과 양 측면을 열융착시키면, 파우치형 전지(100)의 상단과 양 측면에는 각각 실링부(110, 120, 130)가 만들어진다. 본 발명에서는, 양 측면 실링부(120, 130)의 단부를 전극조립체 수납부(140) 방향으로 완만하게 절곡한다. 도 6에는 그와 같이 절곡된 A-A 부위의 단면도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전지케이스는 두 가지 유형의 적층 구조로 이루어져 있다. 첫 번째 유형(B)은 ONy으로 이루어진 외부 피복층(100a), 알루미늄 합금으로 이루어진 배리어층(100b) 및 CPP로 이루어진 내부 실란트층(100c)과, 외복 피복층(100a)의 외면에 PET 최외층(100d)이 피복되어 있는 구조로 이루어져 있다. 두 번째 유형(C)은 PEN으로 이루어진 외부 피복층(100e), 알루미늄 합금으로 이루어진 배리어층(100b) 및 CPP로 이루어진 내부 실란트층(100c)의 구조로 이루어져 있다. 열융착시, 케이스 본체와 커버의 각각 내부 실란트층(100c)들이 서로 융착되어 실링부를 형성한다.
측면 실링부(120, 130)는 수직 단면상으로 원호 형태의 외주면을 형성하면서 그것의 단부(121, 131)가 전극조립체(150)를 내장하고 있는 수납부(140) 방향으로 절곡되어 있다. 따라서, 날카로운 단부(121, 131)가 외부로 향해 있지 않으므로, 취급시 작업자 또는 사용자에게 영향을 주지 않는다.
다시 도 5를 참조하면, 이후의 도 11 내지 도 15에서 설명하는 바와 같이, 전지셀(100)의 높이를 줄이기 위하여 상단 실링부(110)를 수직으로 절곡하게 되는데, 이를 용이하게 하기 위하여 상단 실링부(110)와 측면 실링부(120, 130)가 만나는 교차부(170)를 소정량 절취한다. 교차부(170)의 절취 크기는 전극조립체의 밀봉성을 손상시키지 않는 범위내에서 결정될 수 있다.
측면 실링부(120, 130)를 화살표에서와 같이 절곡하기 전 또는 이후에, 상단 실링부(110)를 일점 쇄선(111)를 따라 수직으로 절곡한다.
본 발명에 따르면, 양 측면 실링부(120, 130)가 예를 들어 도 6에서와 같이 절곡되므로, 측면 실링부(120, 130)의 폭(w)은 종래의 파우치형 전지에서보다 크게 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예 따른 전지팩의 모식도가 부분적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 전지셀(101)은 도 5의 전지셀(100)에서 상단 실링부(110)는 수직으로 상향 절곡되어 있고 전극리드(160, 162)는 수직으로 하향 절곡되어 전 지셀(100)의 상단에 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 또한, 측면 실링부(120, 130)는 바깥쪽으로 굴곡 외주면을 형성하도록 안쪽으로 절곡되어 내부공간(S)이 형성되어 있으며, 그러한 내부공간(S)에 PCM(400)이 설치되어 있다.
도 8에는 도 7의 D 부위에 대한 확대 단면도가 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, PCB 형태의 PCM(400)은, 단부(121)가 전극조립체(150)이 내장되어 있는 전지케이스의 수납부(140) 방향으로 완만하게 절곡되어 있는 측면 실링부(120)의 내부공간(S)에 설치되어 있다. 특히, 측면 실링부(120)의 수직 단면 형상은 PCM(400)의 직사각형 수직 단면 형상과 대략 일치하며 모서리 부위가 각지지 않도록 절곡되어 있다. 따라서, PCM(400)은 측면 실링부(120)의 내부 공간(S) 상에 안정적으로 고정되면서 완만한 곡선상의 외면을 이루게 된다. PCM(400)과 버스 바(300)의 결합은 다양한 방법에 의해 달성될 수 있으며, 예를 들어, 스팟 용접, 레이저 용접, 납땜 등을 행할 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 외부 입출력 단자(302, 312)는 전지셀(101)의 하단에 위치되어 있으며, 전극단자(160, 162), PCM(400) 및 외부 입출력 단자(302, 312)는 전지셀(101)의 외면에 대략 일치하는 형태로 절곡되어 있는 버스 바(300, 310)에 의해 전기적으로 연결되어 있다.
도 9 및 도 10에는 본 발명의 또다른 실시예들에 따른 전지셀의 모식도들이 부분적으로 도시되어 있다.
우선 도 9의 전지셀(102)은 두 개의 PCM(401, 402)이 각각 측면 실링부(120, 130)에 설치되어 있고 각각의 PCM(401, 402)는 버스 바(300, 310)에 의해 전지셀 (102) 상단의 전극리드(160, 162)와 전지셀(103) 하단의 외부 입출력 단자들(302, 312)에 연결되어 있다.
도 10의 전지셀(103)은 PCM(400)이 측면 실링부(120)에 설치되어 있고, 전지셀(103) 상단의 전극리드(160, 162)와 전지셀(103) 하단의 외부 입출력 단자들(302, 312)을 전기적으로 연결하는 버스 바(300, (310)가 동일한 측면 실링부(120)에 함께 위치한다는 점에서 도 7의 전지셀(101)과 차이가 있다.
이와 같이, 본 발명에 따라 다양한 구성이 가능하면, 도 7, 9 및 10의 구성과 기타 변형예들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 11 내지 15에는 도 6에서와 같은 이차전지를 사용하여 전지팩을 제조하는 하나의 예시적인 과정도가 도시되어 있다.
우선, 도 11에서, 상단 실링부(110)를 수직으로 상향 절곡하고, 그 위에 절연시트(200)를 탑재한 후, 양극리드(160) 및 음극리드(162)가 절연시트(200) 상에 놓이도록 각각 수직으로 하향 절곡한다. 절연시트(200)에 의해 전극리드들(160, 162)은 전지케이스 본체와의 전기적 절연상태를 안정적으로 유지할 수 있다. 측면 실링부(120)는 다음 단계인 도 12의 버스 바 설치 후 절곡할 수도 있고, 그 이전에 절곡할 수도 있다.
다음으로 도 12 및 도 13에서, 버스 바(300, 310)를 측면 실링부(120, 130)의 내부공간(S)에 설치한 상태에서 양극리드(160)와 음극리드(162)에 결합시킨다. 전극리드(160, 162)와 버스 바(300, 310)의 결합은 바람직하게는 스팟 용접에 의해 이루어질 수 있다.
측면 실링부(120)의 내부공간(S)에 설치되는 버스 바(300)에는 PCM(400)이 연결되어 있다. 즉, PCM(400)이 연결되어 있는 버스 바(300)를 전극리드(160)에 연결한 후 측면 실링부(120)를 절곡하면, 도면에서와 같이 PCM(400)은 측면 실링부(120)의 내부공간(S)에 설치된다.
그런 다음 도 14에서, 전극단자(160, 162)의 반대쪽인 전지셀(101)의 하단에는 장방형의 절연부재(220)가 탑재되고, 그 위에 버스 바(300, 310)의 절곡 단부(302, 312)가 놓여 진다. 절연부재(220)는 버스 바(300, 310)를 전지셀(101)의 본체로부터 전기적으로 절연시키면서, 그것의 절곡 단부(302, 312)가 전지셀(101)의 하단면에 안정적으로 위치할 수 있도록 지지하는 역할을 하며, 침수 여부를 확인하기 위한 테스트 포인트(222)가 또한 포함되어 있다. 버스 바(300, 310)의 절곡 단부(302, 312)는 그 자체로서 외부 입출력 단자 역할을 한다.
다음으로 도 15에서, 전기접속 부위 등을 보호하고, 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있도록 전지셀(101)의 상단과 하단에 각각 탑 캡(500)과 하단 캡(510)을 장착하고 외면에 외장필름(600)을 도포한다.
하단 캡(510)은 전지셀(101)의 하단을 감싸는 구조의 전기절연성 소재로 이루어져 있고, 버스 바(300, 310)의 절곡 단부(302, 312), 즉, 외부 입출력 단자와 테스트 포인트(222)가 외부로 노출될 수 있도록 해당 위치에 다수의 개구들(512, 514)이 형성되어 있으며, 전지셀(101)의 절곡된 측면 실링부(130)의 내부공간에 삽입될 수 있는 하단 연장부(516)가 전지셀(101)의 방향으로 연장되어 있다. 따라서, 하단 연장부(516)를 측면 실링부(130)의 내부공간에 삽입함으로써, 전지셀 (101)에 대한 하단 캡(500)의 체결이 이루어진다.
경우에 따라서는, 절연부재(220) 주변의 이격공간에 절연성 수지를 충진하거나 절연성 커버를 장착하여 전지팩의 낙하시 내부 단락의 가능성을 방지할 수 있으며, 그에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원 제2005-5623호에 개시되어 있는 바, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
탑 캡(500)에도 하단 캡(510)에서와 같은 하단 연장부(516)가 형성되어 있어서, 측면 실링부(130)의 내부공간에 삽입하는 방식으로 체결되도록 구성할 수 있다. 다만, 도면에서는 다양한 체결구조를 보여주기 위하여, 전지셀(101)의 단면 형상에 대응하는 구조를 가진 탑 캡(500)이 도시되어 있다.
탑 캡(500)과 하단 캡(510)이 장착된 상태에서 외장필름(600)을 도포하여 부착하는 바, 외장필름(600)은 전지셀(101)에 존재하는 다수의 이격공간들, 예를 들어, 측면 실링부(120, 130)의 단부와 전지케이스 사이의 이격틈으로 이물질이 유입되는 것을 방지하고, 전지케이스를 보호하며, 전지셀(101)에 대한 탑 캡(500)과 하단 캡(510)의 체결력을 높여 주는 등의 작용을 한다.
이러한 조립과정을 통해 콤팩트한 슬림형 소형 전지팩이 완성된다.
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 전극조립체가 내장되는 전지케이스로서 고강도의 라미네이트 시트를 사용하고, 전지케이스의 측면 실링부 자체를 특정한 형상으로 만들며, PCM을 측면 실링부의 내부공간에 위치시킴으로써, 측면 실링부 자체가 전지팩의 외부 형상을 결정하는 구조체로서 사용되면서 동시에 PCM 장착 공간으로 활용하여, 별도의 팩 외장부재를 사용하지 않고도 전지팩을 구성할 수 있고 조립공정이 간단하며 저렴하면서 더욱 얇고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있다. 또한, PCM이 전극단자와 이격되어 전지셀의 측면에 위치하므로, 전지팩의 낙하 등과 같은 외부충격에 대해 높은 안전성을 가지는 것을 특징으로 한다.
이러한 전지팩은 최근 그 수요가 크게 증가하고 있는 콤팩트한 슬링형 전지팩에 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 수지층과 금속층을 포함하고 있는 고강도 소재의 라미네이트 시트 파우치형 전지케이스의 수납부에 전극조립체가 내장된 상태로 밀봉되어 있고, 상기 전지케이스의 측면 실링부는 굴곡 외주면을 형성하면서 그것의 단부가 상기 수납부를 향하도록 절곡되어 있으며, 보호회로모듈(PCM)이 상기 절곡된 측면 실링부의 내부공간에 위치되어 있는 것으로 구성되어 있는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성된 라미네이트 시트로서, 베리어층의 상기 금속박은 알루미늄 합금으로 이루어져 있고, 상기 외부 피복층이 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있으며, 6.5 kgf 이상의 침상 관통력을 가지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 베리어층은 20 ~ 150 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 합금번호 8079, 1N30, 8021, 3003, 3004, 3005, 3104 및 3105로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 외부 피복층은 5 ~ 40 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 피복층의 고분자 필름은 PEN으로 구성되어 있거나, 또는 PEN으로 구성되지 않은 경우 연신 나일론 필름으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 굴곡 외주면은 수직 단면상으로 원호 구조인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 전지케이스의 외면과 PCM 사이에 절연시트가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, PCM의 외면을 따라 모서리가 각지지 않게 굴곡 외주면을 형성하면서 상기 PCM에 밀착되도록 측면 실링부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 측면 실링부 내부공간에 대한 PCM의 안정적인 고정을 위 해 접착제, 양면 접착테이프 또는 삽입부재가 해당 부위에 추가로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM과 전지셀 상단의 전극단자들은 전지셀의 외면 형상으로 절곡되어 있는 니켈 플레이트의 버스 바에 의해 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상단 실링부를 수직으로 상향 절곡하여 전지셀의 본체에 밀착시키고 전극단자를 수직으로 하향 절곡하여 상기 상단 실링부에 밀착시킨 상태에서 상기 전극단자를 PCM에 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 상단에 전기절연성의 탑 캡이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상단 실링부와 측면 실링부가 교차하는 전지케이스의 상단 양측 모서리를 소정의 크기로 절취하여 상단 실링부의 절곡을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 전지의 외부 입출력 단자는 전지셀의 하단에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 외부 입출력 단자는 측면 실링부의 내부공간으로부터 연장되어 전지셀의 하단면에 절곡되어 있는 버스 바인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 하단에는 전지케이스를 절연하고 외부 입출력 단자를 위치시킬 수 있는 절연부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항에 있어서, 전지셀의 하단에는 외부 입출력 단자가 노출될 수 있는 개구가 형성되어 있는 전기절연성의 캡(하단 캡)이 장착되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 13 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 탑 캡 및/또는 하단 캡은 절곡된 측면 실링부의 내부공간에 대응하는 단면 형상의 하단 연장부를 포함하고 있어서, 상기 하단 연장부를 측면 실링부의 내부공간에 삽입함으로써 전지셀에 대한 체결을 행하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 13 항 또는 제 18 항에 있어서, 전지셀의 상단 및/또는 하단에 상기 캡을 장착한 상태에서 전지셀의 외면을 외장필름으로 도포하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
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