KR20110107987A

KR20110107987A - 중대형 전지팩 및 그 패키징 방법

Info

Publication number: KR20110107987A
Application number: KR1020100027220A
Authority: KR
Inventors: 이은주; 신영준
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-05
Also published as: KR101472613B1

Abstract

본 발명은 안전성 및 공간활용도가 개선된 중대형 전지팩 및 그 패키징 방법에 관한 것으로서, 전지셀을 파우치형 포장재 등으로 1차 패키징한 후 이를 적층하고, 높은 강도의 포장재로2차 패키징하며 상단면과 하단면은 바로 팩 조립이 가능한 재질로 패키징함으로써, 파우치형 포장재 및 금속 포장재 등의 장점을 모두 갖추면서 안전성 및 공간활용도가 개선된 중대형 전지팩 및 그 패키징방법에 관한 것이다.
본 발명의 패키징방법은 전지의 패키징과정을 간편하게 개선하면서도 공간활용도를 극대화하여 가볍고 컴팩트하면서도 각 셀들이 내부에 보다 단단하게 고정되어 안전성이 더욱 개선된 중대형 전지팩 및 이를 위한 중대형 전지팩의 패키징방법을 제공한다.

Description

　중대형 전지팩 및 그 패키징 방법{Middle or large sized battery pack and packaging method thereof}

본 발명은 안전성 및 공간활용도가 개선된 중대형 전지팩 및 그 패키징 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 전지셀을 파우치형 포장재로 1차 패키징하고 상기 1차 패키징된 다수의 전지셀을 결합하여 금속관 또는 플라스틱 관 및 바로 팩조립이 가능한 재질로 2차 패키징하여 이들을 모듈 케이스에 효율적으로 배치함으로써, 안전성 및 공간활용도가 개선된 중대형 전지팩 및 그 패키징방법에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 리튬이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있으며 또한, 화석 연료를 사용하던 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로도 주목받고 있다.

특히, 전기 자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 시스템이 사용되며, 요구되는 출력량 및 에너지 밀도가 점차 높아짐에 따라 중대형 이차 전지에 포함되는 단위모듈의 수가 점차 증가하게 된다.

이러한 중대형 전지 시스템에 단위전지로서 많이 사용되는 파우치형 리튬이온 폴리머 이차전지는 소형 디바이스에 사용되는 동일 계열의 전지에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지고 있다. 또한, 전기 자동차, plug-in 및 hybrid 자동차 등의 전원으로 사용되는 중대형의 리튬 이차전지의 팩 설계 시에는 높은 출력 뿐만 아니라 높은 에너지 또한 고려하여야 하기 때문에 이를 위해서는 한정된 스페이스에 큰 용량의 전지가 탑재되어야 하며, 이를 위해 현재는 많은 수의 단위 셀들을 하나의 리튬이차전지 내에 패키징하여 사용해야 하는바, 하나의 배터리에 점차 포함되는 단위셀의 개수가 늘어나거나 셀의 크기가 매우 커지게 된다.

따라서 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 리튬 이차 전지의 경우 그 패키징 공정이 복잡해지는 것은 물론 패키징의 두께도 늘어나게 되어 결과적으로 제조 공정상의 어려움과 성능 감소 및 공간의 효율성 감소등으로 인해 리튬 이차 전지의 효과가 저하되는 문제 등이 발생할 우려가 있다.

따라서 대용량의 전지팩을 만들기 위한 셀 패키징 방법에 있어서, 간편하면서도 효율적인 리튬이차전지의 패키징 방식에 대한 연구의 필요성이 높아지고 있는 것이 현실이다.

　 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 하이브리드 및 전기 자동차 등의 전원으로 이용되는 중대형 전지팩을 제조하는데 있어서 다수의 전지셀 및 단위모듈을 간단하게 패키징 할 수 있으면서도 기존 셀 패키징 재료들의 장점을 모두 유지함은 물론, 팩 조립시 내부 공간의 활용도를 극대화하여, 안전성이 더욱 개선된 고용량의 중대형 전지팩 및 그 패키징 방법을 제공한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 수단을 이용한다.

본 발명은, 리튬 이차전지 팩의 패키징 방법에 있어서,

전극조립체 및 전해액을 포함하는 전지셀을 1차 패키징하는 제1 단계;

상기 1차 패키징 된 다수의 전지셀을 적층한 단위모듈의 바디(body) 부분을 2차 패키징하는 제2 단계;

상기 단위모듈의 상단면 및 하단면을 패키징하는 3 단계; 및　　

상기 3단계에 의한 단위모듈을 모듈 케이스에 배열하는 4 단계로 이루어진 리튬 이차전지 팩의 패키징방법을 제공한다.

상기 1 단계의 1차 패키징을 위한 포장재는 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지만으로 이루어진 파우치형 포장재를 이용하여 패키징하는 것을 특징으로 하며, 상기 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지는 PE(폴리에틸렌), PP(폴리 프로필렌), PS(폴리스틸렌), PVC(염화비닐), nylon(폴리아미드), PET (폴리에틸렌테레프탈레이트)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1 단계의 1차 패키징을 위한 포장재는 금속 라미네이트층이 내장되어 있고 상기 금속라미네이트층의 외부는 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지로 이루어진 파우치형 포장재인 것을 특징으로 하며, 상기 금속 라미네이트층은 알루미늄 금속라미네이트층인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 제2단계의 2차 패키징은, 상단면 및 하단면에 상응하는 양 끝단면이 개방된 플라스틱관 또는 금속관으로 패키징하는 것을 특징으로 하며, 상기 플라스틱 관은 PE(폴리에틸렌), PP(폴리 프로필렌), PS(폴리스틸렌), PVC(염화비닐), 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하고, 상기 금속관은 알루미늄, 철, 니켈, 구리 또는 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 3 단계에 의한 단위모듈의 상단면 또는 하단면을 패키징하기 위한 포장재는, 보호회로 또는 PTC회로인 것을 특징으로 한다.

상기 보호회로 또는 PTC회로의 면적은, 상기 플라스틱관 또는 금속관의 단면의 크기와 같거나 또는 0.2mm내지 2cm만큼 더 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 상기4 단계는, 단위 모듈의 상단면 또는 하단면에 부착된 보호회로 또는 PTC 회로가 모듈 케이스의 바닥면에 닿도록 단위모듈을 수직 배열하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 또한, 전극조립체 및 전해액을 포함하여 1차 포장재로 패키징 된 전지셀;

상기 전지셀을 적층하고 바디(body) 부분을 2차 포장재로 패키징한 후 전극탭이 위치한 면과 반대되는 면은 보호회로 또는 PTC 회로로 패키징하고 전극탭이 위치한 면은 캡 어셈블리로 패키징된 단위 모듈; 및

상기 단위모듈이 복수개 포함되어 있는 모듈 케이스;

를 포함하고 있는 중대형 전지팩을 제공한다.

상기 1 차 포장재는 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지만으로 이루어진 파우치형 포장재인 것을 특징으로 하고

상기 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지는 PE(폴리에틸렌), PP(폴리 프로필렌), PS(폴리스틸렌), PVC(염화비닐), nylon(폴리아미드), PET (폴리에틸렌테레프탈레이트)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 1차 포장재는 금속 라미네이트층이 내장되어 있고, 상기 금속라미네이트층의 외부는 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지로 이루어진 파우치형 포장재인 것을 특징으로 하고

상기 금속 라미네이트층은 알루미늄 금속라미네이트층인 것을 특징으로 한다.

상기 2차 포장재는, 상단면 및 하단면에 대응하는 양 끝단면이 개방된 플라스틱관 또는 금속관인 것을 특징으로 한다.

상기 플라스틱 관은 PE(폴리에틸렌), PP(폴리 프로필렌), PS(폴리스틸렌), PVC(염화비닐), 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하며, 상기 금속관은 알루미늄, 철, 니켈, 구리 또는 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 보호회로 또는 PTC의 면적은, 상기 플라스틱관 또는 금속관의 단면의 크기와 같거나 또는 0.2mm내지 2cm만큼 더 큰 것을 특징으로 한다.

상기 전지팩은 단위모듈의 상단면 또는 하단면에 부착된 보호회로 또는 PTC 회로가 모듈 케이스의 바닥면과 닿도록 단위 모듈들을 수직으로 배열하여 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 중대형 전지팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 중대형 전지팩의 패키징방법에 의하여, 하이브리드 전기차 등의 전원으로 사용되는 중대형 전지팩의 패키징단계를 간소하게 개선하면서도 기존 포장재들의 장점은 유지하여 고용량이며 안전성 또한 우수한 중대형 전지팩 및 그 제조방법을 제공한다.

또한, 팩 조립시 공간활용도를 극대화하여 가볍고 컴팩트하면서도, 각 단위셀 및 단위모듈들이 내부에 보다 단단하게 고정되도록 하여, 잦은 진동이나 강한 충격 등에 자주 노출되는 중대형 전지팩에 있어, 구조적으로 안전성이 더욱 개선된 전지팩 및 그 제조방법을 제공한다.

도 1은 전극조립체 및 전해액을 1차 포장재로 패키징하는 전지셀에 대해 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도2는 다수의 전지셀을 적층하여 바디(body)부분을 2차 포장재로 패키징한 단위모듈을 상단면에서 본 사시도이다.
도3은 다수의 전지셀을 적층하여 바디(body)부분을 2차 포장재로 패키징한 단위모듈을 하단면에서 본 사시도이다.
도4는 바디(body)부분을 2차 포장재로 패키징한 단위모듈의 하단면을 패키징하는 단계에 대한 사시도이다.
도5는 바디(body)부분 및 하단면을 패키징한 단위모듈을 하단면에서 본 사시도이다.
도 6a 내지 도 6c는 다수의 전지셀 탭의 연결 형태에 따라 단위모듈의 상단면을 패키징하는 단계에 대한 사시도이다.
도 7a 내지 도7c는 다수의 전지셀 탭의 연결 형태에 따라 패키징이 완성된 단위모듈의 사시도이다.
도 8a 내지 8c는 다수의 전지셀 탭의 연결 형태에 따라 패키징된 단위모듈을 모듈 케이스에 배치한 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 중대형 전지팩의 패키징방법은,

전극 조립체 및 전해액을 포함하는 전지셀을 1차 패키징하는 1 단계;

상기 1차 패키징 된 다수의 전지셀을 적층, 또는 병렬 연결 또는 직렬연결 중 어느 하나의 방법으로 연결하여 단위모듈을 만들고 상단 및 하단을 제외한 바디(body) 부분만을 2차 패키징하는 2 단계;　

상기 2차 패키징 된 단위모듈의 상단 및 하단을 패키징하는 3 단계; 및　　 상기 상단 및 하단이 패키징된 단위모듈들을 모듈 케이스에 고정하여 팩 조립하는 4 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적은 또한,

전극조립체 및 전해액을 포함하여 1차 포장재로 패키징 된 전지셀;

상기 전지셀을 적층하고 바디(body) 부분을 2차 포장재로 패키징한 후 상단면 및 하단면을 패키징한 단위 모듈; 및

상기 단위모듈이 복수개 연결되어 포함되어 있는 모듈 케이스; 를 포함하고 있는 중대형 전지팩을 제공하는 것으로 이루어 질 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 전지팩의 패키징방법에 대해 설명하는 것으로 본 발명의 구조에 대해 설명한다.

도 1은 전극조립체(11) 및 전해액을 1차 포장재(20)로 패키징한 전지셀(13)에 대해 개략적으로 나타낸 사시도이다.

본 발명은 먼저, 제1단계로, 전극조립체(11) 및 전해액을 포함하는 전지셀(13)을 파우치형 포장재(20) 등을 이용하여 1차 패키징한다.

상기 1차 패키징을 위한 파우치형 포장재(20)는 전해액에 용해되지 않는 재질의 열가소성 수지이면 만족되며, 예를 들어 PE(폴리에틸렌), PP(폴리 프로필렌), PS(폴리스틸렌), PVC(염화비닐), nylon(폴리아미드), PET (폴리에틸렌테레프탈레이트) 등으로 이루어진 파우치형 포장재를 이용한다.

또한, 상기 파우치형 포장재(20)는 상기 열가소성 수지 이외에 알루미늄 라미네이트와 같은 금속 라미네이트층이 더 내장된 파우치형 포장재일 수도 있다.

상기 1차 패키징을 위한 파우치형 포장재는 아래 설명되는 2차 포장재의 재질에 따라, 상기 금속라미네이트층이 더 내장된 파우치형 포장재일 수 있고, 또는 상기 나열된 열가소성 수지만으로 이루어진 파우치형 포장재일 수도 있다. 즉, 제2단계의 패키징을 위한 2차 포장재가 수분 및 전해액의 침투가 가능한 재질이라면 상기 1차 포장재, 즉 파우치형 포장재는 금속이 더 내장된 파우치형 포장재를 사용하여 패키징하는 것이 바람직하다.

금속 라미네이트층이 더 내장된 파우치형 포장재의 경우, 금속 라미네이트의 외부는 상기 열가소성 수지로 도포되어 있어 절연특성이 우수하고, 금속이 내장되어 있어 강도가 보다 우수하며, 수분 또는 전해액 등이 단위셀로 침투되지 않는다.

본 발명에 있어, 1차 포장재(20)에 내장되는 전극조립체(11)는 스택형(적층형) 구조, 젤리-롤(권취형) 구조 등 다양한 구조가 가능하다.

일반적으로 이차전지는 전극조립체의 구조, 전해질의 구성 등에 따라, 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하는 바, 그 중 제조비가 낮고 전해액의 누액 가능성이 적으며 전지 조립공정이 간편한 리튬이온 폴리머 전지가 본 발명에 바람직하게 사용될 수 있다.

전극리드(12)의 한쪽 단부는 전극조립체의 전극 탭들이 부착된 상태로 파우치형 포장재의 내부에 위치하고 반대쪽 단부는 파우치형 포장재의 외부로 노출되어 있다. 상기 전극리드 중 양극리드는 특별히 한정하지 아니하며, 일반적으로 사용될 수 있는 알루미늄으로 만들어진 금속박편을 사용할 수 있고, 음극리드 또한, 일반적으로 사용되는 구리로 만들어진 금속 박편등을 이용할 수 있다. 상기 전극 탭들은 통상적으로 사용되는 스폿 용접 등의 방법에 의해 전극리드에 결합될 수 있으며, 상기 전극리드의 두께는 대략 200 내지 500 ㎛로 함이 바람직하다.

본 발명의 리튬이차전지는, 상기 파우치형 포장재(20)에 전해질이 함침되어 있는 양극/분리막/음극의 상기 전극조립체(11)를 안착시키고, 파우치형 포장재의 접합 부위에 고온 고압을 가하여 융착시켜 밀봉한다.

상기와 같이 전지셀의 1차 패키징은 열가소성 수지 등을 이용하여 패키징함으로써, 이 후 전지의 사용 및 안전사고에 따라 셀 내부에 가스가 발생하는 경우, 쉽게 벤트(vent)될 수 있는 고분자 파우치형 포장재의 장점을 그대로 유지하여 사용중 가스의 발생으로 인한 위험을 미연에 방지할 수 있도록 하며, 전지셀을 먼저 유연성이 있는 파우치형 포장재로 1차 패키징하므로서, 전해액 등의 유출 및 전지셀과 금속 포장재의 접촉에 의한 절연현상 등을 방지할 수 있도록 한다.

또한, 2차 포장재의 재질에 따라, 금속 라미네이트층이 내장된 고분자 파우치형 포장재 또는 고분자만으로 이루어진 파우치형 포장재들 중 하나를 선택하여 포장함으로써 전지의 안전성을 개선하면서도 컴팩트하고 단단하며 가벼운 리튬이차전지를 제공할 수 있다.

상기 파우치형 포장재(20)의 두께는 특별히 제한하지 아니하나, 내구성 및 공간활용 또는 전지의 무게등을 고려하여 150~200㎛가 되도록 함이 바람직하다.

한편, 본 발명의 패키징 방법에 따르면, 상기 파우치형 포장재에 의해 1차 패키징 된 전지셀은 다수가 차례로 적층되고, 이렇게 1차 포장된 전지셀들이 다수 적층된 단위모듈의 바디(body)부분만을 먼저 2차 패키징한다.

도2 및 도3은 상기 단위모듈의 바디부분(22)만을 2차 패키징한 상태에 대한 사시도이다.

상기 다수의 전지셀들이 적층된 단위모듈에 있어서, 전극리드(12)가 돌출된 면을 상단면(24)이라고 하고 그 반대쪽 면을 하단면(26)이라고 하며, 상기 상단면(24) 및 하단면(26)을 제외한 다른 면들로 이루어진 부분을 바디부분(22)이라고 한다.

본 발명의 리튬이차전지 패키징 방법의 2단계에서는 상기 단위모듈의 바디부분(22)만을 먼저 패키징한다. 이를 위해 상기 상단면(24) 및 하단면(26)에 해당하는 양쪽 끝면이 개방된 플라스틱관 또는 금속관(30) 등의 2차 포장재를 이용하여 상기 전지셀들이 적층된 단위 모듈을 그대로 삽입한다.

이와 같이 1차 패키징 된 상기 다수의 전지셀들로 이루어진 단위모듈의 바디(body)부분만을 금속관(30) 또는 플라스틱관으로 2차 패키징함으로써 1차 패키징된 파우치형 포장재의 외부를 금속관(30) 또는 플라스틱관으로 단단히 고정할 수 있다.

이와 같이 보다 강도가 높은 포장재를 이용하여2차 패키징하여 단위모듈의 외부를 단단히 고정시킴으로서 파우치형 포장재(20)의 과도한 스웰링(swelling) 현상을 억제하고 전지의 외부를 단단하게 패키징하여 중대형 전지의 외부 충격 등으로부터 전지를 보호할 수 있으며 내부에 단위 셀 또는 단위모듈이 구조적으로 안전하게 고정될 수 있도록 한다.

또한 상단면(24) 및 하단면(26)에 상응하는 부분은 개방된 형상의 금속관(30) 또는 플라스틱관을 이용하여 바디부분만을 2차 패키징하는바 상기 단위모듈을 그대로 삽입하면 되기 때문에 공정이 보다 용이하고 간편하게 이루어질 수 있게 된다.

상기 2차 패키징을 위한 금속관(30)은 알루미늄, 주석, 크롬, 철, 니켈, 구리 및 이들의 합금 등으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것일 수 있으며, 플라스틱관은 PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PS(폴리스틸렌), PVC(염화비닐), 아크릴 수지 등으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것일 수 있다. 다만, 바람직하게는 상기 2차 패키징재로서 알루미늄으로 이루어진 금속관을 사용하도록 한다. 이는 상기 파우치형 포장재의 스웰링 현상을 가장 효과적으로 방지할 수 있는 강도를 지니면서도 무게가 가볍기 때문이다. 도 2 및 도3은 본 발명의 일실시예로서, 2차 포장재를 금속관(30)으로 사용하는 경우를 나타내었다.

상기와 같이 2차 포장재로서 알루미늄 등의 금속관(30)을 이용하는 경우, 1차 포장재는 금속 라미네이트를 내장하지 않는 파우치형 포장재를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 1차 패키징후 파우치형 포장재의 실링부 가장자리를 절단함으로써 발생할 수 있는 금속 라미네이트층의 돌출 및 이로 인한 전지의 절연현상 등을 방지할 수 있으면서도 외장재의 강도가 높고, 스웰링 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 리튬이차전지를 제공할 수 있다.

상기 금속관(30) 또는 플라스틱관의 두께는 특별히 한정하지 아니하나 전지 내부공간의 활용　및 전지 전체의 무게를 고려하여 250㎛ 내지 2 mm 의 범위내로 한다.

소형 각형 전지의 경우 일반적으로 200 내지250㎛ 정도의 두께 로 이루어진 캔타입 포장재를 사용하나 이는 전지의 스웰링 현상을 억제하기에 어려움이 있으며, 또한 전지 내부의 열전달을 고려하여 최대 두께는 2mm 미만이 됨이 바람직하다.

도 2 및 도 3에서는 금속관(30)의 모양을 사각형으로 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 상기 금속관 또는 플라스틱관의 모양은, 각형 또는 원형 등의 다양한 형태로 이루어질 수 있다.　　　　　　　

한편, 상기 단위모듈의 바디부분(22)을 2차 패키징한 후에는, 개방되어 있는 단위모듈의 상단면(24) 및 하단면(26)을 패키징한다.

도4 내지 도 7c는 상기 단위모듈의 상단면(24)과 하단면(26)을 패키징하는 방법에 대해 도시하고 있으며, 이 중 도 6a 내지 도6c, 도7a 내지 도7c는 단위모듈의 상단면에 돌출된 다수의 전극탭들의 연결 형태를 각각 달리한 경우의 실시예에 대한 것이다.

본 발명의 단위모듈의 하단면(26)은 바디부분을 패키징한 2차 포장재와 같은 재질의 금속판 또는 플라스틱판을 사용하여 패키징 하는 것도 가능하나, 바람직하게는 보호회로 또는 PTC 회로 등을 이용하여 패키징하도록 한다.

상기 도면들을 참조하여 보면, 먼저 도4에 나타난 바와 같이, 상기 단위모듈의 하단면(26)을, 리튬이차전지의 패키징시 포함되는 보호 회로(40) 또는 PTC 회로를 이용하여 덮은 후에 접착제 등을 이용하여 금속관 또는 플라스틱관과 결합되도록 실링할 수 있다.

이 때 사용되는 보호회로(40) 또는 PTC 회로의 면적은 상단면(24) 또는 하단면(26)의 면적과 같거나 0.2mm내지 2cm의 크기 만큼 크게 디자인한다. 이는, 상기 양끝 단면의 패키징이 모두 완료된 단위모듈들을 모듈 케이스에 직렬적으로 배열할 때, 보호회로(40) 또는 PTC 회로로 패키징된 하단면(26)을 모듈 케이스의 바닥에 고정시켜 수직으로 배열함으로써, 단위 모듈들이 모듈케이스 내에 보다 안전하고 단단하게 고정될 수 있도록 하기 위함이다. 따라서 하단면(26)에 부착되는 보호회로(40) 또는 PTC 회로의 면적이 넓을수록 조립된 셀들은 보다 안정적으로 고정될 수 있어 안전하다.

도 5는 단위모듈의 하단면(26)을 이보다 넓은 면적의 보호회로(40)로 실링한 상태에 대한 사시도이다.

이로 인해, 충격이나 흔들림이 많은 중대형 디바이스 전원용 리튬 이차 전지에 있어, 구조적으로 보다 안전한 중대형 리튬이차전지를 제공할 수 있게 된다.

상기 보호회로(40) 또는 PTC 회로와 금속관(30) 또는 플라스틱관을 실링하는 접착제는 특별히 한정하지 아니하며, 아크릴 수지, 폴리에틸렌, 폴리에스테르 수지등을 이용하여 실링이 가능하며, 또는 피치 등을 이용하여 용융시켜 실링하는 것도 가능하다.

또한, 이와 같이 단위모듈의 2차 패키징재의 하부 실링부, 즉, 보호회로 또는 PTC 회로와 금속관 또는 플라스틱관이 접착된 부분은 2차 패키징된 포장재의 다른 부분들보다 쉽게 벤팅(venting)될 수 있는 부분으로서 내부 가스가 밖으로 배출될 수 있는 통로가 될 수 있다. 즉, 단위모듈의 바디 부분과 상단면 및 하단면의 2차 포장재들은 스웰링이 잘 되지 않는 높은 강도의 재질로 이루어진 포장재들로서 가스가 벤팅되기 어려운바, 전지셀들의 내부에서 발생된 가스는 상기와 같이 보호회로 등과 금속관 등이 접착된 하부 실링부 쪽으로 빠져나올 수 있도록 유도되며, 또한 내부 가스가 많이 발생되는 바디부분은 강도가 높은 금속관 또는 플라스틱관이 단단히 잡아줌으로써 내부에 발생된 가스가 좀 더 많이 밖으로 배출될 수 있도록 압력을 인가하는 효과 및 하부 실링부 쪽으로 가스가 벤트되도록 유도하는 효과를 제공한다. 이와 같은 효과로 인하여 전지셀 내부의 가스 발생으로 인한 단위모듈의 폭발 등의 위험성을 낮출 수 있어 안전성이 향상된 전지팩을 제공할 수 있게 된다. 따라서 바디부분의 2차 포장재와 하단면의 포장재와의 접착강도는 이와 같이 내부 가스의 배출효과 등을 고려하여 조절하도록 한다.

한편, 단위모듈의 상단면(24)은 도6a 및 도6b에 나타난 실시예들과 같이, 각 전지셀로부터 돌출된 각 전극탭들을 연결하여 하나의 양극리드(12a) 및 음극리드(12b)로 돌출되도록 할 수 있다.

또한, 이와 같이 각 탭들을 연결하여 하나의 전극리드로 만든 후 상단면을 패키징하는 경우, 그 패키징 과정을 단순화할 수 있다는 장점이 있을 수 있으나, 다수의 전지셀을 포함하는 단위모듈의 경우에는 하나의 양극리드 및 음극리드에 부하되는 전류의 양이 과다할 수 있는바, 바람직하게는 도6c에 나타난 실시예와 같이 다수의 전극리드들이 돌출되도록 단위모듈을 만들 수 있다.

다만, 도 6a 내지 도6c 등에 나타난 사시도는 본 발명에 따른 일실시예들을 예시한 것으로서 본 발명은 여기에 한정되지 아니하며, 단위모듈의 용량 및 패키징 공정의 단순화 등을 고려하여 다양한 형태 및 개수의 탭들이 형성되도록 만들 수 있음은 물론이다.

이 후, 상기 단위모듈의 상단부는 전극리드들(12a, 12b)이 셀 밖으로 고정되도록 고안된 캡(42)으로 패키징된다. 상기 캡(42)은 상단면(24)의 면적과 동일하도록 하고 그 재질등에 있어서는 특별히 한정되지 아니하며 공지의 전지 패키징용 어셈블리 캡 등을 사용하는 것으로 만족된다. 상기 캡(42)은 형성된 전극리드의 형태 및 개수에 상응하는 개공부를 포함하는 어셈블리 캡인 것을 특징으로 하며, 상단부에 접착제를 이용하여 실링되거나 끼움방식으로 패키징 될 수 있다.

도 7a 내지 도7c는 본 발명의 리튬 이차전지 패키징 방법에 따른 제2단계 및 제3단계의 패키징 단계가 완료된 단위모듈의 형상을 개략적으로 나타낸 사시도이며, 돌출된 전극리드가 각각 다른 형태인 단위모듈들의 사시도이다.

한편, 바디부분(22) 및 상단면(24)과 하단면(26)의 패키징이 완료된 단위모듈은 모듈 케이스에 직렬로 배열된다.

도8a 내지 8c는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 1차 및 2차 패키징 완료된 단위모듈들을 모듈 케이스(50)에 직렬로 배열시킨 형상에 대한 개략적인 사시도이다. 상기 도8a 내지 8c에 나타난 모듈 케이스에 단위모듈의 배열 형태는 하나의 실시예를 나타낸 것이며, 본 발명에 따른 단위모듈은 보다 다양한 형태로 모듈 케이스에 적층 또는 배열될 수 있고, 또한 상기 실시예에서는 모듈 케이스(50)내에 4개의 단위모듈을 배열하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 모듈 케이스에 수용되는 단위모듈은 2개, 3개 또는 5개 이상의 복수개를 수용하는 구성들 또한 가능하다.

도8a 내지 8c에 나타난 바와 같이, 단위모듈은 하단면(26)에 부착된 보호회로(40) 또는 PTC 회로가 아래쪽으로 위치하도록 하여 모듈 케이스(50)의 바닥면에 부착하고, 다수의 단위모듈들을 직렬 배열하여 모듈 케이스(50) 바닥에 상기 보호회로 등을 단단히 고정시킨다.

이와 같이 단위모듈의 하단면(26)을 보호회로(40) 또는 PTC 회로 등을 이용하여 패키징함으로써, 보호회로(40) 또는 PTC가 전지의 팩 조립시 별도의 공간에 따로 위치하는 경우에 비해 전지 내부의 공간 활용도를 극대화 할 수 있으며, 또한, 별도의 고장장치를 사용하지 않고도 모듈 케이스(50)에 단위모듈들이 단단하게 고정될 수 있도록 하며 이로 인해 가볍고 컴팩트하면서도 안전성이 뛰어난 중대형 리튬이차전지를 제공할 수 있다.

한편, 2차 패키징에 의한 단위 모듈의 전극리드가 모두 상단면에 위치하지 않고 각기 다른 방향에 위치하는 경우에는, 전극리드가 위치하는 양 끝단면 중 어느 한 면을 보호회로 또는 PTC 회로를 이용하여 막은 후 이를 금속관 또는 플라스틱관과 접착제를 이용하여 실링한다. 이때 접착시 이용되는 접착제는 상기의 접착제 및 접착 방법과 동일하다.

상기와 같은 경우도, 상단면 또는 하단면의 패키징을 위해 사용되는 보호회로 또는 PTC 회로의 면적은 금속관 또는 플라스틱 관의 상단 또는 하단의 면적과 같거나 0.2mm내지 2cm만큼 크게 디자인하여, 단위셀 또는 단위 모듈을 패키징하도록 한다.　　

보호회로 또는 PTC 회로로 실링한 면의 반대쪽 면은 전극리드가 돌출될 수 있도록 형성된 캡을 이용하여 패키징한다. 　　　　

상기와 같이 양쪽 끝단의 패키징이 완성된 단위모듈 역시 모듈 케이스에 직렬로 배열된다. 이 때 패키징된 단위셀 또는 단위모듈은 전극리드가 위치한 양쪽 면을 제외한 면들 중에서 면적이 좁은 쪽의 어느 한 면을 모듈 케이스의 바닥과 접하도록 배열한다. 이 때 상기 모듈 케이스에 배열된 단위모듈의 좌우 양쪽 면 중 어느 한 면에 부착되어 있는 보호회로 또는 PTC회로는, 모듈 케이스의 옆면과 닿도록 하여 단단하게 부착시킴으로서 전지의 구조적 안정을 도모할 수 있다.

본 발명의 패키징 방법에 따라 제조된 중대형 전지는, 소망하는 출력 및 용량에 따라 다수의 전지셀 또는 단위모듈들을 조합하여 제조될 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같은 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착 공간을 갖고, 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 또는 전기 오토바이, 전기 자전거 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

11 : 전극조립체 12 : 전극리드 13 : 전지셀
20 : 파우치형 포장재 22 : 바디(body)부분 24 : 상단면
26 : 하단면 30 : 금속관 40 : 보호회로
12a: 양극리드 12b: 음극리드 42 : 캡
50 : 모듈 케이스

Claims

리튬 이차전지 팩의 패키징 방법에 있어서,
전극조립체 및 전해액을 포함하는 전지셀을 1차 패키징하는 제1 단계;
상기 1차 패키징 된 다수의 전지셀을 적층한 단위모듈의 바디(body) 부분을 2차 패키징하는 제2 단계;
상기 단위모듈의 상단면 및 하단면을 패키징하는 3 단계; 및　　
상기 3단계에 의한 단위모듈을 모듈 케이스에 배열하는 4 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
제1항에 있어서,
상기 1 단계의 1차 패키징을 위한 포장재는 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지만으로 이루어진 파우치형 포장재를 이용하여 패키징하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
제2항에 있어서,
상기 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지는 PE(폴리에틸렌), PP(폴리 프로필렌), PS(폴리스틸렌), PVC(염화비닐), nylon(폴리아미드), PET (폴리에틸렌테레프탈레이트)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
제1항에 있어서,
상기 1 단계의 1차 패키징을 위한 포장재는 금속 라미네이트층이 내장되어 있고 상기 금속라미네이트층의 외부는 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지로 이루어진 파우치형 포장재인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
제4항에 있어서,
상기 금속 라미네이트층은 알루미늄 금속라미네이트층인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
제1항에 있어서,
상기 제2단계의 2차 패키징은, 상단면 및 하단면에 상응하는 양 끝단면이 개방된 플라스틱관 또는 금속관으로 패키징하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
제6항에 있어서,
상기 플라스틱 관은 PE(폴리에틸렌), PP(폴리 프로필렌), PS(폴리스틸렌), PVC(염화비닐), 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
제6항에 있어서,
상기 금속관은 알루미늄, 철, 니켈, 구리 또는 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 팩의 패키징방법.
제1항에 있어서,
상기 3 단계에 의한 단위모듈의 상단면 또는 하단면을 패키징하기 위한 포장재는, 보호회로 또는 PTC회로인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
제9항에 있어서,
상기 보호회로 또는 PTC회로의 면적은, 상기 플라스틱관 또는 금속관의 단면의 크기와 같거나 또는 0.2mm내지 2cm만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
제1항에 있어서,
상기4 단계는, 단위 모듈의 상단면 또는 하단면에 부착된 보호회로 또는 PTC 회로가 모듈 케이스의 바닥면에 닿도록 단위모듈을 수직 배열하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
제11항에 있어서,
상기 단위 모듈은 전극리드가 동일한 방향에 위치되어 있는 것을 특징을 하는 리튬 이차전지 팩의 패키징방법.
전극조립체 및 전해액을 포함하여 1차 포장재로 패키징 된 전지셀;
상기 전지셀을 적층하고 바디(body) 부분을 2차 포장재로 패키징한 후 전극탭이 위치한 면과 반대되는 면은 보호회로 또는 PTC 회로로 패키징하고 전극탭이 위치한 면은 캡 어셈블리로 패키징된 단위 모듈; 및
상기 단위모듈이 복수개 포함되어 있는 모듈 케이스;
를 포함하고 있는 중대형 전지팩.
제13항에 있어서,
상기 1 차 포장재는 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지만으로 이루어진 파우치형 포장재인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제14항에 있어서,
상기 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지는 PE(폴리에틸렌), PP(폴리 프로필렌), PS(폴리스틸렌), PVC(염화비닐), nylon(폴리아미드), PET (폴리에틸렌테레프탈레이트)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제13항에 있어서,
상기 1차 포장재는 금속 라미네이트층이 내장되어 있고, 상기 금속라미네이트층의 외부는 전해액에 용해되지 않는 열가소성 수지로 이루어진 파우치형 포장재인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제16항에 있어서,
상기 금속 라미네이트층은 알루미늄 금속라미네이트층인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제13항에 있어서,
상기 2차 포장재는, 상단면 및 하단면에 대응하는 양 끝단면이 개방된 플라스틱관 또는 금속관인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제18항에 있어서,
상기 플라스틱 관은 PE(폴리에틸렌), PP(폴리 프로필렌), PS(폴리스틸렌), PVC(염화비닐), 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제18항에 있어서,
상기 금속관은 알루미늄, 철, 니켈, 구리 또는 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제13항에 있어서,
상기 보호회로 또는 PTC의 면적은, 상기 플라스틱관 또는 금속관의 단면의 크기와 같거나 또는 0.2mm내지 2cm만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제13항에 있어서,
상기 전지팩은 단위모듈의 상단면 또는 하단면에 부착된 보호회로 또는 PTC 회로가 모듈 케이스의 바닥면과 닿도록 단위 모듈들을 수직으로 배열하여 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제13항에 있어서,
상기 중대형 전지팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.