KR20070099068A - 파우치형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극조립체가 파우치형 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 이차전지로서, 전지케이스는 외주면의 모서리가 라운드 구조로 이루어져 있고 전극조립체 수납부 또한 그에 대응하여 모서리가 라운드 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극조립체는 모서리가 테이퍼된 양극 및 음극과 모서리가 테이퍼되지 않은 분리막을 차례로 적층한 후, 양극과 음극으로부터 돌출된 분리막의 모서리 부위를 열처리에 의해 라운드 구조로 수축 및 열융착시켜 상기 수납부의 라운드 구조에 수납될 수 있는 라운드 구조로 변형하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 모서리가 라운드 구조인 전지케이스에 용이하게 수납될 수 있도록 전극조립체의 라운드 구조를 용이하게 형성할 수 있고, 전지케이스 내부로 수납하는 과정, 또는 전지케이스 내에 수납되어 있는 상태에서, 전극조립체의 양극 및 음극이 분리되어 움직이는 것을 방지할 수 있으며, 전지케이스에 대한 전극조립체의 장착력과 외부 충격으로부터의 안전성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

파우치형 이차전지 {Pouch-typed Secondary Battery}

도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;

도 2는 도 1의 이차전지를 조립한 상태의 정면도이고; 도 3은 도 2의 이차전지에서 하단 및 양측 실링부를 절곡한 상태의 정면도이다;

도 4는 선행기술에 따른 파우치형 이차전지의 정면도이고; 도 5는 도 4의 이차전지에서 하단 및 양측 실링부를 절곡한 상태의 정면도이다;

도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 정면 투시도이다;

도 7은 도 6의 이차전지에서 전극조립체의 정면도이고; 도 8은 도 7의 전극조립체에서 돌출된 분리막을 열융착한 상태의 정면도이다.

본 발명은 파우치형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극조립체가 파우치형 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 이차전지로서, 전지케이스는 외주 면의 모서리가 라운드 구조로 이루어져 있고 전극조립체 수납부 또한 그에 대응하여 모서리가 라운드 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극조립체는 모서리가 테이퍼된 양극 및 음극과 모서리가 테이퍼되지 않은 분리막을 차례로 적층한 후, 양극과 음극으로부터 돌출된 분리막의 모서리 부위를 열처리에 의해 라운드 구조로 수축 및 열융착시켜 상기 수납부의 라운드 구조에 수납될 수 있는 라운드 구조로 변형하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전지케이스(40)는 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 도 1에서는 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 각각 별도의 부재로서 표시되어 있지만, 이들은 일측 단부가 일체되어 연속되어 있는 경첩식 구조도 가능하다.

상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 가장자리가 열융착되어, 도 2에서와 같이, 상단 실링부(44)와 측면 실링부(45, 46), 및 하단 실링부(47)를 형성한다. 상단 실링부(44)에는 전극리드(30, 31)가 돌출되어 있는 반면에, 측면 실링부(45, 46)와 하단 실링부(47)는 불필요하게 연장되어 있으므로, 일점 쇄선(50)을 따라 각각 수직 절곡된다. 그러나, 측면 실링부(45, 46)와 하단 실링부(47)가 만나는 교차부위(48)는 수직 절곡이 용이하지 않기 때문에, 도 3에서와 같이, 돌출부(49)의 형태로 접한 뒤 화살표 방향으로 수평 절곡한다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이, 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 경첩식 구조로 이루어져 있고 별도의 하단 실링부가 형성되지 않은 전지케이스 구조에서는, 측면 실링부(45, 46) 만을 수직으로 절곡한다.

도면으로 나타내지는 않았지만, 이러한 파우치형 이차전지(전지셀)는 시트형 전지케이스의 취약한 기계적 강성을 보완하기 위하여 별도의 팩 케이스에 내장하여 전지팩으로 제조된다. 팩 케이스로는 전지셀을 수납할 수 있는 박스형의 부재가 일반적으로 사용되고 있는데, 상기와 같은 파우치형 전지셀은 그것의 돌출부에 의하여 케이스 내로 수납되기 어려운 단점을 가지고 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위하여 미국 특허출원공개 제2004-0048149호 및 일본 특허출원공개 제2001-202931호에서는, 도 4에서와 같이, 평면상으로 전극조립체(60)의 4 곳 모서리들 중 일부를 테이퍼 구조(61)로 만들고, 전극조립체(60)가 수납되는 전지케이스(70)도 그에 대응하는 구조로 제조하는 기술이 제시되어 있다. 상기 기술들에서는, 전극조립체(60)를 내장한 상태에서 전지케이스(70)의 가장자리를 열융착하고, 그에 따라 형성된 실링부(71)를 일점 쇄선(50)을 따라 수직 절곡하여, 도 5에서와 같이, 전지팩 케이스(80)에 수납하기 용이한 장방형의 이차전지(90)를 제조하고 있다.

그러나, 상기 기술에서 이차전지(90)는 발전소자로서의 극판들이 존재하지 않은 4 곳 모서리의 실링부(72)를 포함하고 있기 때문에, 용량이 감소되고 동일 용량 대비로 전지팩의 크기가 커지는 문제점을 가지고 있다. 또한, 이러한 이차전지(90)는 장방형의 팩 케이스(80)에 용이하게 수납될 수는 있으나, 그에 대응하는 구조, 즉, 모서리가 테이퍼된 구조 또는 라운드 구조로 이루어진 팩 케이스의 내부로 수납될 때, 모서리의 테이퍼 단부가, 도 3의 돌출부(49)에서와 같이, 수납의 과정을 방해하는 장해 요인으로 작용할 수 있다. 결과적으로, 전극조립체를 팩 케이스에 수납할 때의 어려움이 근본적으로 해결되었다고 보기는 어렵다. 더욱이, 상기 전극조립체를 전지케이스 내부로 수납하는 과정에서, 전극조립체의 단부가 전지케이스 수납부의 측면에 의해 가압됨으로써, 양극과 음극이 분리되거나 서로 접촉하여 단락이 발생될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 전지케이스를 전극조립체의 크기보다 다소 크게 구성할 경우도 고려할 수는 있지만, 전지케이스와 전극조립체 사이에 그러한 크기 편차로 인한 이격 부위가 발생하게 되고, 이로 인해 전지케이스 내부에서 전극조립체가 움직이는 문제점이 발생한다.

결과적으로, 각형 이차전지 및 파우치형 이차전지 등의 평판형 이차전지를 사용하여 구성되는 전지팩은, 그것의 내부 공간 활용도 및 제조공정 등을 고려하여, 궁극적으로는 얇은 두께의 각진 육면체 구조로 이루어진 전지팩으로 제조되는 경향이 있다. 따라서, 현재 생산되고 있는 대부분의 전지팩은 일률적으로 각진 육면체 구조로 이루어져 있다.

한편, 이차전지가 사용되는 디바이스가 다양화되고, 경우에 따라서는 모서리가 둥근 형태의 전지팩도 요구되고 있다. 모서리가 둥근 형태의 전지팩을 제조하고자 할 때 가장 우선적으로 고려될 수 있는 구조는, 도 4의 구조를 바탕으로, 전극조립체와 전지케이스(셀 케이스) 및 팩 케이스의 모서리를 각각 둥글게 만들어 이들을 상호 조립하는 방식이다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 전극조립체의 모서리를 둥글게 만드는 방식은 전지 제조공정의 문제점, 안전성의 문제점 등을 고려할 때, 바람직하지 않다. 더욱이, 박막 형태의 분리막은 극판과는 달리 모서리를 둥근 형태로 절취하기 용이하지 않으므로, 앞서 설명한 구조로부터의 단순한 설계 변형으로는 소망하는 둥근 모서리 구조의 전극조립체 등을 양산 규모에서 경제적으로 제조하기 어렵다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 모서리가 라운드 구조인 전지케이스에 수납될 수 있도록 전극조립체의 라운드 구조를 용이하게 형성할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전지케이스 내부로 수납하는 과정, 또는 전지케이스 내에 수납되어 있는 상태에서, 전극조립체의 양극 및 음극이 분리되어 움직이는 것을 방지할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 전극조립체가 파우치형 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 이차전지로서, 전지케이스는 외주면의 모서리가 라운드 구조로 이루어져 있고 전극조립체 수납부 또한 그에 대응하여 모서리가 라운드 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극조립체는 모서리가 테이퍼된 양극 및 음극과 모서리가 테이퍼되지 않은 분리막을 차례로 적층한 후, 양극과 음극으로부터 돌출된 분리막의 모서리 부위를 열처리에 의해 라운드 구조로 수축 및 열융착시켜 상기 수납부의 라운드 구조에 수납될 수 있는 라운드 구조로 변형하는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명은 열융착된 분리막에 의하여 양극 및 음극이 고정되므로, 전극조립체가 전지케이스 내부에 수납되는 과정, 및 전극조립체가 전지케이스 내부에 수납되어 있는 상태에서, 상기 양극 및 음극이 분리되어 움직이는 것을 방지함 으로써, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 모서리를 둥글게 절취하기 어려운 분리막을 사용하고도 소망하는 전극조립체를 제조할 수 있다. 더욱이, 수축 및 열융착에 의해 전극조립체의 라운드 모서리부를 형성하는 분리막 용융 고화부위는 높은 탄성력을 제공하여, 전극조립체가 전지케이스에 수납되었을 때 우수한 장착력과 외부 충격시의 완충 부위로 작용하여 우수한 안전성을 제공한다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 라운드 구조와 테이퍼 구조는 전지케이스와 전극조립체의 4 개의 모서리에 각각 형성될 수 있는 바, 여기서 상기 "모서리"는 전지케이스와 전극조립체에서 각각 인접한 두 측면이 만나는 꼭지점을 의미한다.

상기 전극조립체는 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태로 적층시킨 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 상기 스택형 구조의 전극조립체는 당업계에 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서 그에 대한 설명은 생략한다. 상기 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

본 발명에 따른 전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

본 발명은 또한, 상기의 이차전지가 그것의 라운드 모서리에 대응하는 구조로 이루어져 있는 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩을 제공한다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 그것의 외주면에 형성되어 있는 실링부가 절곡되지 않은 상태로 팩 케이스의 체결부에 결합될 수 있다. 더욱 구체적인 예에서, 상기 팩 케이스가 분리된 상부부재와 하부부재로 구성되어 있고 이들의 외주면에서 상호 접촉되어 체결되는 박스형 구조로 이루어져 있을 때, 상기 이차전지의 실링부는 상부 케이스와 하부 케이스의 외주면 접합부에 삽입되어 체결될 수 있다. 이때, 상기 실링부는 그것의 전부 또는 일부가 상기 측면 접촉부에 삽입될 수 있으며, 그 중에서 전부가 삽입되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 상부 케이스와 하부 케이스의 결합력을 높이기 위하여, 상기 측면 접합부에서는 케이스들이 직접 맞닿는 부분이 존재하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 측면 접합부는 상기 실링부가 개재되는 삽입부와 상기 케이스들이 직접 맞닿는 접촉부를 포함할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 정면 투시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 6의 파우치형 전지는 일반적으로 사용되는 종래의 파우치형 전지와 대략 동일하므로, 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들에 대한 설명은 생략한다.

도 6을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는 모서리(250)가 라운드 구조로 이루어진 전지케이스(200)에, 그에 대응하는 구조로서 모서리(350)가 라운드 구조 로 이루어진 전극조립체(300)를 장착한 후, 전극조립체(300)에 연결되어 있는 전극 탭들(311, 321)의 일부를 외부로 노출시킨 상태에서, 전지케이스(200)의 가장자리(210)를 열융착하는 것으로 제조된다. 외부 입출력 단자의 형성시, 전극 탭(311, 321)에는 별도로 전극리드(도시하지 않음)가 용접될 수도 있으며, 그것의 상하면 일부에는 전지케이스(200)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(400)이 부착되어 있다.

도면에는 나타나 있지 않지만, 전극조립체(300)는 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극에 의하여 실질적으로 화학반응이 일어나는 발전소자로서, 4 곳 모서리가 각각 테이퍼된 각진 형태로 재단되어 있다. 반면에, 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 열융착에 의해 전지케이스(200)의 내면 구조에 대응하는 라운드 구조의 모서리를 형성하게 된다.

도 7에는 도 6의 이차전지에서 전극조립체의 정면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 8에는 도 7의 전극조립체에서 돌출된 분리막을 열융착한 상태의 정면도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면들을 참조하면, 전극조립체는 상단에 전극 탭들(311, 321)이 연속되어 있고, 모서리(351, 352)가 테이퍼 구조로 이루어진 양극(310) 및 음극(320)과, 모서리 부분에서 양극(310)과 음극(320)에 대해 돌출부(353)를 형성할 수 있도록 각진 형태의 분리막(330)으로 구성되어 있다.

도 7에서 양극(310)과 음극(320), 및 분리막(330)을 차례로 적층한 뒤, 분리막(330)의 돌출부(353)에 열을 가하여 열융착하여 도 8에서와 같이 4 곳 모서리가 라운드 구조인 전극조립체가 제조된다. 분리막(300)은, 일반적으로 소정의 열에 의해 쉽게 용융되는 고분자 수지로 이루어져 있으므로, 도 7의 각진 모서리에 열을 가할 때는 소정의 이격거리를 유지하는 것이 바람직하다.

분리막(300)의 돌출부(353)는 모서리(351, 352)의 테이퍼 구조로 인해, 중앙에서 가장 큰 폭(w)으로 이루고 양측으로 갈수록 폭이 좁아지는 구조를 이루므로, 열이 가해질 경우 자연스럽게 라운드 구조를 이룰 수 있다.

라운드 구조로 수축되고 융착된 분리막 모서리(353a)는 고분자 수지 특유의 높은 탄성력을 나타내므로, 전지케이스(도시하지 않음)에 대한 전극조립체의 장착시 우수한 장착력을 제공한다. 또한, 전극조립체가 전지케이스에 내장된 상태에서 외부로부터 충격이 인가될 때 전극조립체의 이동을 억제하고, 특히, 전지의 모서리 부위로 인가된 충격에 대해 완충 작용을 함으로써, 전지의 안전성을 더욱 높일 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 모서리가 라운드 구조인 전지케이스에 용이하게 수납될 수 있도록 전극조립체의 라운드 구조를 용이하게 형성할 수 있고, 전지케이스 내부로 수납하는 과정, 또는 전지케이스 내에 수납 되어 있는 상태에서, 전극조립체의 양극 및 음극이 분리되어 움직이는 것을 방지할 수 있으며, 전지케이스에 대한 전극조립체의 장착력과 외부 충격으로부터의 안전성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 전극조립체가 파우치형 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 이차전지로서, 전지케이스는 외주면의 모서리가 라운드 구조로 이루어져 있고 전극조립체 수납부 또한 그에 대응하여 모서리가 라운드 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극조립체는 모서리가 테이퍼된 양극 및 음극과 모서리가 테이퍼되지 않은 분리막을 차례로 적층한 후, 양극과 음극으로부터 돌출된 분리막의 모서리 부위를 열처리에 의해 라운드 구조로 수축 및 열융착시켜 상기 수납부의 라운드 구조에 수납될 수 있는 라운드 구조로 변형하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 라운드 구조와 테이퍼 구조는 전지케이스와 전극조립체의 4 곳 모서리에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 또는 스택 폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 따른 이차전지가 팩 케이스에 내장된 전지팩으로서, 상기 팩 케이스는 그것의 모서리가 이차전지의 라운드 모서리에 대응하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 전지팩에 대한 이차전지의 장착시 이차전지의 외주면 실링부는 절곡되지 않은 상태로, 상하부 팩 케이스의 체결부에 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.

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