KR20080064917A - 탄력적인 연결부재를 포함하고 있는 전지팩 케이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀이 장착되는 팩 케이스로서, 전지셀의 상단에 장착되는 절연성 캡('상단 캡')과 하단에 장착되는 절연성 캡('하단 캡') 및 상기 상단 캡과 하단 캡을 상호 연결하는 탄력적인 연결부재를 포함하는 팩 케이스를 제공하는 바, 이러한 팩 케이스는 전지셀을 팩 케이스에 결합시키는 장착 과정이 매우 단순화되어 생산성이 크게 향상되며, 박스형 프레임을 사용하는 경우 팩 케이스를 성형하면서 발생하는 오차에 따른 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.

Description

탄력적인 연결부재를 포함하고 있는 전지팩 케이스 {Battery Pack Case Having Resiliently Flexible Connecting Member}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 팩 케이스와 전지셀의 사시도이다;

도 2 내지 도 4는 도 1의 팩 케이스의 연결부재를 이완 및 수축시켜 전지셀을 장착하는 과정의 모식도들이다;

도 5는 본 발명의 팩 케이스에 전지셀을 장착시켜 완성한 전지팩의 모식도이다.

본 발명은 탄력적인 연결부재를 포함하고 있는 전지팩 케이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀이 장착되는 팩 케이스로서, 전지셀의 상단에 장착되는 절연성 캡('상단 캡')과 하단에 장착되는 절연성 캡('하단 캡') 및 상기 상단 캡과 하단 캡을 상호 연결하는 탄력적인 연결부재를 포함하고 있는 것으로 구성된 팩 케이스에 관한 것이다.

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.

이러한 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi Cell) 또는 풀셀(Full Cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.

또한, 전지팩은 전지셀이 케이스에 장착된 형태에 따라 외장형 전지팩(Hard Pack)과 내장형 전지팩(Inner Pack)으로 분류된다. 외장형 전지팩은 그것이 장착되는 외부기기의 외형 일부를 형성하므로 사용시 외부기기에 장착하기 용이한 장점을 가지지만, 전지셀을 내장한 상태에서 팩 케이스를 해당 외부기기의 종류에 맞추어 설계하여야 하므로 상대적으로 고가이고 호환성이 적은 문제점을 가지고 있다. 반면에, 내장형 전지팩은 외부기기의 내부에 장착한 상태에서 외부기기의 일부를 형 성하는 커버를 덮어 사용하므로 장착이 상대적으로 번거로운 단점은 있지만, 설계가 용이하고 저렴하며 호환성이 용이한 장점을 가지고 있다.

또한, 전지팩은 내장되는 전지셀의 종류에 따라 분류되기도 한다. 예를 들어, 각형 셀을 내장한 전지팩(각형 전지팩)과 파우치형 셀을 내장한 전지팩(파우치형 전지팩)을 들 수 있다.

그 중, 각형 전지팩은 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속으로 이루어진 캔 내부에 양극/분리막/음극의 전극조립체가 전해질과 함께 밀봉되어 있는 전지셀, 상기 전지셀의 상부에 탑재되는 캡 어셈블리, 상기 전지셀의 외면을 도포하는 라벨 등의 외장부재, 상기 전지셀의 하단에 장착되는 하단 캡 등으로 이루어져 있다.

한편, 내장형 전지팩에서는 안전소자 등의 탑재, 절연성 확보, 내구성 증진 등을 목적으로 전지셀(Bare Cell)의 상단과 하단에 각각 절연성 캡을 장착하는 구조로 이루어져 있다. 절연성 캡은 전지셀과의 접촉 부위에 접착제를 도포한 후 전지셀과 결합시킨 상태에서 경화시킨 뒤 적절히 가압함으로써 장착되는 바, 절연성 캡의 장착 과정은 다단계로 진행되어 제조공정이 복잡해지고 원가가 상승하는 단점이 있다.

또한, 내장형 전지팩의 또 다른 형태는 프레임 타입의 전지팩으로서, 박스형의 프레임에 전지셀을 장착한 후 절연필름으로 라벨링하여 제조되는 바, 프레임의 사출 성형 과정에서 성형 오차로 인해 언더컷(Under Cut) 등의 단차가 발생하는 문제점이 있다.

이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2003-123714호에는, 전지팩의 보호회로 기판을 포함하는 절연성 캡에, 탄력성을 가지는 완충부재를 설치하여 전지셀의 장착시 전지팩의 성형 오차에 따른 문제점을 해결하고, 외력에 대해 내충격성을 나타내는 전지팩에 관한 기술이 개시되어 있다.

그러나, 기존의 제조 공정에 별도의 완충부재를 설치하는 공정이 추가되어야 하므로, 제조 비용이 상승하고, 전지팩 내부의 완충부재로 인하여 전지팩 전체의 크기가 커지거나, 동일한 규격의 전지팩에서 전지셀의 부피가 줄어들어 전지의 용량이 감소하는 단점이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

본 출원의 발명자들은 전지팩 케이스에 대한 다양한 실험들과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 전지셀의 상단에 장착되는 절연성 캡과 하단에 장착되는 절연성 캡을 상호 연결하는 탄력성을 가지는 연결부재를 포함한 팩 케이스를 사용하는 경우, 전지셀의 장착이 매우 용이하게 되며, 전지팩의 제조 공정성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 탄력적인 연결부재를 포함하고 있는 전지팩 케이스는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀이 장착되는 팩 케이스로서, 전지셀의 상단에 장착되는 절연성 캡('상단 캡')과 하단에 장착되는 절연성 캡('하단 캡') 및 상기 상단 캡과 하단 캡을 상호 연결하는 탄력적인 연결부재를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 전지팩 케이스는 전지셀이 장착된 상태에서 전지셀의 모서리를 감싸면서 상단 캡과 하단 캡을 상호 연결하는 탄력적인 연결부재를 포함하는 구조로 이루어져 있어서, 전지셀 상단과 하단의 길이 방향으로 소정의 인장력을 상기 연결부재에 가했을 때 탄력적으로 이완될 수 있고, 연결부재를 이완시킨 상태에서 전지셀을 삽입한 후, 연결부재의 탄력성에 의해 자연스럽게 수축되면서 전지셀을 팩 케이스에 고정시킬 수 있다.

따라서, 앞에서 언급한 절연성 캡을 전지셀에 장착하기 위하여 접착제 등을 사용할 필요가 없고 제조 공정이 매우 간소하며, 팩 케이스로서 박스형의 프레임을 사용하는 경우에 발생하는 프레임 사출 성형시의 성형 오차로 따른 문제점을 방지할 수 있다.

상기 연결부재는 바람직하게는 상단 캡 및 하단 캡과 일체로 형성되어 있어서, 제조 공정 단계를 더욱 감소시킬 수 있다. 이러한 연결부재의 일체형 구조는 다양한 방식으로 구현될 수 있는 바, 예를 들어, 상하단 절연성 캡을 성형할 때 그와 동일한 소재의 연결부재를 동시에 성형하여 제조될 수 있고, 또는 상하단 절연성 캡과 다른 소재의 연결부재를 미리 제조한 후 상하단 절연성 캡을 성형에 의해 제조할 때 함께 일체로 제조할 수 있다. 그러나, 상하단 절연성 캡에 대한 연결부재의 일체화 구조는 기타 방식들에 의해 구현될 수 있음은 물론이다.

또 다른 예로서, 상기 연결부재는 상단 캡 및 하단 캡과는 별도의 부재로서 상기 절연성 캡들에 결합될 수도 있다. 즉, 연결부재를 절연성 캡과 별도로 제조한 후, 상단 캡과 하단 캡의 접촉 부위에 접착제를 이용한 부착하거나 또는 기계적 체결로 상호 결합시킬 수 있다.

상기 연결부재의 소재는, 앞서의 설명과 같이, 상단 캡 및 하단 캡과 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 상기의 예에서와 같이, 연결부재가 절연성 캡과 동시에 형성되는 경우에서는 상호간에 동일한 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 연결부재가 절연성 캡과 별도의 부재로서 형성되는 경우에는 동일한 소재 또는 상호간에 다른 소재로 구성될 수 있다.

상기 연결부재의 소재는 전지셀을 팩 케이스에 장착하기 위하여 인장 및 수축이 가능한 소정의 탄력성과 전기절연성을 가진 소재라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 고분자 수지, 수지 복합체 등이 사용될 수 있다. 그 중에서도, 상기와 같은 물성 이외에, 전지의 내부단락 등으로 인한 발화에 대응하여 불연성을 가진 소재가 더욱 바람직하다.

전지팩의 조립 공정을 간소화시키고 팩 케이스 성형 오차의 문제점을 해결하는 상기 연결부재는, 길이 방향으로 인장력을 가할 때, 0.2 내지 3 mm의 탄력적인 이완이 가능한 것이 바람직하다. 인장력을 가할 때 이완되는 크기가 0.2 mm 보다 짧으면, 팩 케이스에 전지셀을 장착하는 과정이 용이하지 않게 되고, 반대로, 이완 되는 크기가 3 mm 보다 크면, 팩 케이스에 대한 전지셀의 장착 안정성이 떨어져, 외력 등으로 인해 전지셀이 정위치로부터 이탈되는 문제점이 발생할 수 있다.

연결부재의 구조는 앞서 설명한 바와 같은 방식으로 전지셀을 고정할 수 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 하나의 바람직한 예로서, 상기 연결부재는 상단 캡 및 하단 캡의 양측 단부를 상호 연결하는 2 단위의 구조로 형성될 수 있다. 즉, 상단 캡과 하단 캡 사이에 장착되는 전지셀은 각각의 양측 단부에 연결되어 있는 2 단위의 연결부재에 의해 전지셀의 양측 단부를 감싸는 형태로 고정될 수 있다.

또 다른 예로서, 상기 연결부재는 상기 양측 단부 각각의 전면부와 후면부를 상호 연결할 수 있도록 총 4 단위의 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 일반적인 각형 전지셀은 상단 캡 또는 하단 캡이 연결되는 방향의 수직 단면이 대략 직사각형의 형태를 이루고 있으며, 연결부재는 팩 케이스에 전지셀이 장착된 상태에서 전지셀의 수직 단면에서의 직사각형 4 곳 모서리 부위를 감싸면서 전지셀을 고정시킬 수 있다.

본 발명은 또한, 상기와 같은 특정한 구조의 팩 케이스에 전지셀이 장착되어 있는 전지팩을 제공한다. 이러한 전지팩은, 앞서 설명한 바와 같은 팩 케이스의 구조적 특징으로 인해, 종래의 접착제를 사용하여 절연성 캡을 장착하는 경우에 발생하는 복잡한 공정상의 문제점과 박스형 프레임을 사용하는 경우의 성형 오차에 따른 문제점을 해결할 수 있다.

본 발명의 전지팩에서 상기 전지셀은 원통형 구조, 각형 구조 또는 파우치형 구조 등 다양할 수 있지만, 특히 각형 구조인 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 상기 팩 케이스에 전지셀을 장착하여 전지팩을 제조하는 방법을 제공한다.

구체적으로, 상기 팩 케이스의 상단 캡 하단면에 전지셀의 상단을 밀착시키고, 하단 캡을 인장하여 연결부재를 탄력적으로 연신한 후, 전지셀의 하단을 하단 캡의 상단면 상에 위치시킨 뒤, 연결부재의 탄력적인 수축에 의해 하단 캡이 전지셀의 하단에 밀착되는 과정으로 전지팩을 제조할 수 있다.

상기에서, 상단 캡의 하단면에 전지셀의 상단을 밀착시키는 과정은, 예를 들어, 팩 케이스의 가상면을 기준으로 소정의 각도를 유지하면서 전지셀을 비스듬히 기울여 삽입하는 방식이 사용될 수 있다. 따라서, 연결부재가 연신되지 않은 상태에서 상단 캡의 하단면에 전지셀의 상단을 밀착시킬 수 있다.

또한, 이후의 과정에서 하단 캡의 상단면에 전지셀의 하단을 밀착시킬 때에는, 연결부재를 약간 연신한 상태에서 팩 케이스의 가상면에 평행하도록 전지셀을 위치시키면 되므로, 조립 과정이 매우 용이할 뿐만 아니라 연결부재를 많이 연신할 필요가 없게 된다.

이러한 전지팩은 전지셀이 케이스에 장착된 형태와 관계없이 사용이 가능하며, 바람직하게는, 안전소자 등의 탑재, 절연성 확보, 내구성 증진 등을 목적으로 전지셀의 상단과 하단에 각각 절연성 캡을 장착하는 구조로 이루어지는 내장형 전지팩일 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. 설명의 편의를 위하여, 첨부 도면들에서는 연결부재가 전지셀을 고정시키는 구조 등만을 나타내었고, 기타 전지 구성요소들은 생략하였다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 팩 케이스와 전지셀이 분리된 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 팩 케이스(200)는 전지셀(100)을 장착하는 위치를 기준으로 전지셀(100)의 상단에 위치한 상단 캡(210)과, 전지셀의 하단에 위치하는 하단 캡(220), 및 상단 캡(210)과 하단 캡(220)의 네 모서리를 연결하는 연결부재들(232, 234, 236, 238)로 구성되어 있다.

상단 캡(210), 하단 캡(220) 및 연결부재들(232, 234, 236, 238)은 전지셀(100)의 누전 등으로 인한 안전성 문제를 해결할 수 있도록 절연성 소재로 이루어져 있으며, 그와 더불어, 연결부재들(232, 234, 236, 238)은 탄력적인 연신성을 나타내는 소재로 이루어져 있다.

전지셀(100)은 직육면체 형태의 각형 전지셀로서, 상단 캡(210), 하단 캡(220) 및 연결부재들(232, 234, 236, 238)이 이루는 내부 공간 상에 장착되며, 전지셀(100)이 장착된 상태에서, 연결부재들(232, 234, 236, 238)은 수직 단면상으로 전지셀(100)의 직사각형 4 곳 모서리 부위를 감싸게 된다.

도 2 내지 도 4에는 도 1의 팩 케이스의 연결부재를 이완 및 수축시켜 전지셀을 장착하는 과정에 대한 모식도들이 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 팩 케 이스에 전지셀을 장착시켜 완성한 전지팩의 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면들을 참조하면, 우선 도 2에서, 팩 케이스(200)의 수평면에 대해 소정의 각도()로 전지셀(100)을 기울여, 그것의 상단(110)이 상단 캡(210)의 하단면(212)에 밀착되도록 삽입한다. 이러한 과정에서, 연결부재들(232, 234)은 연신되지 않는다.

그런 다음, 도 3에서와 같이, 팩 케이스(200)에 화살표 방향으로 인장력을 가하면, 팩 케이스(200)는 상단 캡(210)의 상부방향과 하단 캡(220)의 하부 방향(길이방향)으로 약 1 mm가 늘어나 전지셀(100)을 삽입할 수 있는 크기가 된다.

그러한 상태에서, 도 4에서와 같이, 전지셀(100)의 삽입을 완료하고 인장력을 제거하면, 연결부재들(232, 234, 236, 238)이 탄력적으로 수착되면서 전지셀(100)의 하단에 하단캡(220)의 상단면이 밀착되어 도 5에서와 같이 내장형 전지팩(300)이 완성된다.

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 전지팩 케이스는 상단 캡과 하단 캡이 탄력성을 가진 연결부재에 의해 상호 연결되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 전지셀을 팩 케이스에 결합시키는 장착 과정이 매우 간단하여 생산성이 크게 향상되고, 박스형 프레임을 사용하는 경우 팩 케이스를 성형하면서 발생하는 오차에 따른 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀이 장착되는 팩 케이스로서, 전지셀의 상단에 장착되는 절연성 캡('상단 캡')과 하단에 장착되는 절연성 캡('하단 캡') 및 상기 상단 캡과 하단 캡을 상호 연결하는 탄력적인 연결부재를 포함하고 있는 것으로 구성된 팩 케이스.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결부재는 상단 캡 및 하단 캡과 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 팩 케이스.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 연결부재는 상단 캡 및 하단 캡과는 별도의 부재로서 상기 캡들에 결합되는 것을 특징으로 하는 팩 케이스.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 연결부재의 소재는 상단 캡 및 하단 캡과 동일하거나 다른 것을 특징으로 하는 팩 케이스.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 연결부재의 소재는 고분자 수지 또는 수지 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 팩 케이스.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 연결부재는 길이 방향으로 인장력을 가할 때 0.2 내 지 3 mm의 탄력적인 이완이 가능한 것을 특징으로 하는 팩 케이스.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 연결부재는 상단 캡 및 하단 캡의 양측 단부를 상호 연결하는 2 단위의 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 팩 케이스.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 연결부재는 상기 양측 단부 각각의 전면부와 후면부를 상호 연결할 수 있도록 총 4 단위의 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 팩 케이스.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 팩 케이스에 전지셀이 장착되어 있는 구조의 전지팩.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 전지셀은 원통형 구조, 각형 구조 또는 파우치형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형 구조인 것을 특징으로 하는 전지팩.
12. 제 9 항에 있어서, 상기 팩 케이스의 상단 캡 하단면에 전지셀의 상단을 밀착시키고, 하단 캡을 인장하여 연결부재를 탄력적으로 연신한 후, 전지셀의 하단을 하단 캡의 상단면 상에 위치시킨 뒤, 연결부재의 탄력적인 수축에 의해 하단 캡이 전지셀의 하단에 밀착되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
13. 제 9 항에 있어서, 상기 전지팩은 내장형 팩인 것을 특징으로 하는 전지팩.

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