KR20120059731A - 단자대 보강 구조를 갖는 파우치형 이차 전지 - Google Patents

단자대 보강 구조를 갖는 파우치형 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파우치형 이차 전지에 관한 것으로서, 외부 물체의 압력 및 단자대의 변형으로 인한 셀의 손상을 방지할 수 있고, 단자대의 단락 부분 확대 및 발열, 그로 인한 발화 및 폭발 등 현상을 효과적으로 방지할 수 있는 파우치형 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 셀 본체부의 가장자리 부분을 따라 파우치 커버의 실링 부분을 형성하는 탭부가 형성되고 파우치 커버 내측으로 단자대가 삽입된 구조의 파우치형 이차 전지에 있어서, 상기 단자대가 위치된 탭부의 바깥면에 고형물로 이루어진 보강부가 셀 본체부와의 경계부를 따라 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지가 개시된다.

Description

단자대 보강 구조를 갖는 파우치형 이차 전지{Pouch type secondary battery}
본 발명은 파우치형 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단자대가 위치된 탭부를 보강하여 외부 물체의 압력 및 단자대의 변형으로 인한 셀의 손상을 방지할 수 있고, 단자대의 단락 부분 확대 및 발열, 그로 인한 발화 및 폭발 등 현상을 효과적으로 방지할 수 있는 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.
최근 충, 방전 가능한 이차 전지에 관한 연구가 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 태블릿 PC 등의 휴대용 전자기기와 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차 등의 자동차 분야에서 활발히 진행 중에 있다.
이 중 하이브리드 자동차나 연료전지 자동차와 같은 친환경 전기자동차에서는 배터리가 차량 구동을 위한 구동모터를 포함하여 차량 내 각종 고전압 부품에 전력을 제공하게 되는데, 이는 복수의 셀로 구성되어 각 셀들이 차량 운행 중 충, 방전을 반복하면서 필요 전력을 공급하게 된다.
즉, 하이브리드 자동차에 탑재되는 고전압 배터리는 구동모터와 기타 고전압 부품에 전력을 제공하는 한편 구동모터에서 생성된 회생 전력을 저장하게 된다.
연료전지 자동차의 경우도 고전압 배터리가 주동력원인 연료전지와 더불어 보조동력원으로 사용되며, 구동모터와 연료전지 시스템의 구성요소(블로워 등의 연료전지 운전장치)들, 기타 고전압 부품들을 구동하기 위한 전력을 제공하고, 연료전지나 구동모터(회생제동시)에서 생성되는 전력을 저장하게 된다.
이렇게 충, 방전 가능한 에너지 저장장치인 차량용 배터리는 통상 배터리 팩의 형태로 제공되는데, 그 일례로서 셀(이차 전지)들을 케이스에 수납하여 셀 카트리지(또는 셀 어셈블리)를 구성하고 이들을 다시 모듈화한 뒤 적층하여 배터리 팩을 구성할 수 있다.
한편, 충, 방전형 배터리에 사용되는 대표적인 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈하이드라이드 전지, 리튬 이차 전지를 들 수 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 휴대용 전자기기에 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈하이드라이드 전지보다 작동전압이 월등히 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높아 고출력을 요하는 차량용 동력원으로 매우 유망하다.
이러한 리튬 이차 전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지가 리튬 이온 전지, 고분자 전해질을 사용하는 전지가 리튬 폴리머 전지이다.
리튬 이차 전지는 여러 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과 각형, 파우치형을 들 수 있다.
최근 들어 리튬 폴리머 전지를 유연성을 지닌 파우치형으로 제조하여 차량용 배터리에 사용하고 있으며, 파우치형 이차 전지(이하, 파우치 셀로 약칭함)는 그 형상이 비교적 자유롭고 가벼워서 다수의 셀을 적층해야 하는 차량용 배터리에 유용하다.
그러나, 종래기술에 따른 파우치 셀은 다음과 같은 문제점이 있다.
배터리를 구성하는 파우치 셀에 셀 간 연결을 위하여 금속성 단자대를 사용하는 경우, 단자대 부분으로 압력이 가해질 때 단자대에 의한 파우치 셀의 훼손 문제가 발생한다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 단자대(11) 위치로 날카로운 물체(20)가 압력을 가하게 되면, 이 물체(20)의 압력과 더불어 단자대 변형에 의해 단자대 하측의 파우치 셀 부분이 훼손을 당하므로 내부 단락 부분이 넓어지는 현상이 발생한다.
이 경우 배터리 작동 중 발열이 심해져 발화 및 폭발에 이르는 안전성 문제를 일으킨다.
또한 금속성 단자대(11)의 경우 날카로운 부분이 존재 가능하므로 이 날카로운 부분으로 인해 압력이 가해질 경우 파우치 셀의 훼손이 발생할 수 있으며, 단자대 주변에 위치한 플라스틱 사출물에 의해서도 쉽게 파우치 셀(10)이 훼손될 수 있는 구조이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 외부 물체의 압력 및 단자대의 변형으로 인한 셀의 손상을 방지할 수 있고, 단자대의 단락 부분 확대 및 발열, 그로 인한 발화 및 폭발 등 현상을 효과적으로 방지할 수 있는 파우치형 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 셀 본체부의 가장자리 부분을 따라 파우치 커버의 실링 부분이 되는 탭부가 형성되고 파우치 커버 내측으로 단자대가 삽입된 구조의 파우치형 이차 전지에 있어서, 상기 단자대가 위치된 탭부의 바깥면에 고형물로 이루어진 보강부가 셀 본체부와의 경계부를 따라 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지를 제공한다.
여기서, 상기 보강부는 탭부의 바깥면과 셀 본체부의 측단 돌출면에 걸쳐 형성되어 바깥 표면이 경사면 구조로 된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 보강부는 플라스틱 또는 고무 계열의 수지로 형성되고, 접착수단에 의해 부착되거나 직접 성형 방식으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 보강부는 에폭시 몰딩으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 보강부를 내측 보강부로 하여 내측 보강부의 표면에 길이방향을 따라 추가적인 외측 보강부가 더 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 외측 보강부는 강성 보강을 위하여 내측 보강부에 비해 경질의 재질로 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 외측 보강부는 플라스틱 계열의 수지로 형성되고, 접착수단에 의해 부착되거나 직접 성형 방식으로 형성된 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지에 의하면, 단자대가 위치된 탭부의 바깥면에 고형물로 이루어진 보강부가 셀 본체부와의 경계부를 따라 형성됨으로써, 외부 물체의 압력 및 단자대의 변형으로 인한 셀의 손상을 방지할 수 있고, 단자대의 단락 부분 확대 및 발열, 그로 인한 발화 및 폭발 등 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 파우치형 이차 전지를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(파우치 셀)의 단자부 보강 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지를 나타내는 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지에서 이종의 보강재질을 사용하여 복층 구조로 구성한 보강 구조를 보여주는 측면도이다.
도 5는 배터리 팩 관통 시험의 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 단자부 보강 구조를 나타내는 도면으로, 배터리 팩에 사용되는 파우치형 이차 전지의 측면 구조를 보여주고 있으며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차 전지를 나타내는 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지에서 이종의 보강재질을 사용하여 복층 구조로 구성한 보강 구조를 보여주는 측면도이다.
도시된 바와 같이, 통상의 파우치형 이차 전지(10)(이하, 파우치 셀이라 약칭함)는 파우치 커버 내측으로 양극과 음극의 단자대(11)가 삽입되어 있고, 내부를 밀봉하고 있는 전, 후 파우치 커버의 가장자리 부분은 중첩상태로 실링되어 얇은 두께를 형성하고 있는 구조이다.
이하, 본 명세서에서는 파우치 셀(10)에서 안쪽의 내용물이 충전된 부분을 셀 본체부(12)라 칭하고, 셀 본체부(12)의 실링 부분을 탭부(13)라 칭하기로 한다.
도 2의 측면 구조에서 볼 때 단자대(11)와 탭부(13)는 셀 본체부(12)에서 일측으로 치우쳐 있고, 이에 셀 본체부(12)가 탭부(13)에서 돌출된 구조를 가진다.
이때, 탭부(13)에서 금속성 단자대(11)가 위치한 부분과 셀 본체부(12)의 상단부가 압력에 의해 쉽게 훼손될 수 있는 취약 부분이 된다(도 1 참조).
따라서, 본 발명의 파우치 셀(10)은 상기한 취약 부분을 보호하면서 외부 물체(20)의 압력 및 단자대(11)의 변형으로 인한 손상을 방지하기 위한 보호층 역할의 보강부(14)를 형성한 것에 주된 특징이 있으며, 이를 통해 압력이 가해질 때 금속성 단자대(11)로 인한 단락 부분이 넓어지는 것과 그로 인한 발열, 발화 및 폭발 등의 현상을 효과적으로 방지한다.
즉, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 단자대(11)에 의한 파우치 셀(10)의 훼손을 최소화하기 위해 단자대 아래의 셀 부분에 고형물로 이루어진 보강부(14)를 추가로 형성하는 것이다.
상기 보강부(14)는 내측으로 단자대(11)가 삽입된 탭부(13)의 바깥면에서 형성되는데, 탭부(13)와 셀 본체부(12)에 걸쳐 바깥 표면이 경사면이 되도록 형성되며, 도 2에 나타낸 바와 같이 탭부(13)의 바깥면과 셀 본체부(12)의 측단 돌출면(12a)에 걸쳐 대략 삼각 단면 형상을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
이 경우, 보강부(14)는 충돌 사고나 기타 다른 이유에 의해 그 경사면 부분에 금속성 물체나 단자부의 주변 플라스틱 사출물, 또는 날카로운 물체(20)가 도면상 하방(도 2의 화살표방향)으로 압력을 가하더라도 옆으로 미끄러져 내려갈 수 있는 구조가 된다.
특히, 보강부(14)의 경사면 부분이 외부 물체(20)의 타격 방향을 셀 본체부(12)의 측단 돌출면(12a)에서 바깥쪽 측방으로, 즉 셀 본체부(12)의 표면 방향으로 유도하여 바꿔주게 되면서 파우치 셀(10)의 취약 부분이 훼손되는 것을 막을 수 있고, 이에 단자대(11)에 의한 셀 단락 및 발열을 최소화시킬 수 있는바, 발화와 폭발을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
또한 뜻하지 않게 외부 물체나 구조물에 의해 고전압 배터리가 관통되는 경우에도 종래에는 금속성 단자대(11)에 의해 셀이 크게 손상을 받을 수 있으나, 본 발명의 파우치 셀(10)에서는 보강부(14)가 취약 부분을 보호함과 동시에 지지하는 보강 역할을 하므로 단자대의 변형에 의해 셀이 훼손되는 것을 막을 수 있고, 안전성 측면의 심각한 문제를 방지할 수 있다.
상기와 같은 보강부(14)는 단자대(11)가 설치된 부분에만 형성될 수도 있으나, 바람직하게는 도 3에 나타낸 바와 같이 단자대 위치를 포함하여 셀 본체부(12)와의 경계부를 따르는 탭부(13)의 길이방향 전체에 길게 형성될 수 있다.
또한 보강부(14)는 고분자 수지로 형성될 수 있는데, 플라스틱 또는 고무 계열의 수지로 형성될 수 있으며, 실시예에서 에폭시 수지의 사용이 가능하다.
또한 보강부(14)의 형성 방법에 있어서는 보강부를 별도 제작한 후 접착제 등의 접착수단으로 고정하는 방식 또는 설치 부위에 직접 보강부를 성형하는 방식이 적용 가능하다.
접착수단으로 고정하는 방식은 보강부(14)와 접착제가 테이프와 같은 구성이 되므로 간단히 부착할 수 있어 쉽게 설치가 가능하다.
설치 부위에 직접 보강부(14)를 성형하는 방식으로는 핫멜트와 같은 플라스틱 사출 방식 또는 에폭시 몰딩 방식의 적용이 가능하다.
또한 본 발명의 실시예에서, 상기와 같은 보강부(14)의 표면에 추가적인 보강부(15)를 형성하는 것이 가능하며, 이 경우 도 4에 나타낸 바와 같이 이종의 보강재질을 사용한 복층 구조의 보강부가 구성되게 된다.
도 4를 참조하면, 내측 보강부(14)의 경사면 위에 추가적인 외측 보강부(15)가 형성된 실시예를 볼 수 있는데, 외측 보강부(15)를 내측 보강부(14)의 전체 길이를 따라 길게 형성하게 된다.
상기 외측 보강부(15)의 소재로는 내측 보강부(14)가 연질의 소재로 형성된 경우 강성 보강을 위한 경질의 소재로 형성될 수 있다.
이때, 외측 보강부(15)의 소재로는 플라스틱 계열의 경질 수지가 사용될 수 있으며, 형성 방법은 내측 보강부(14)와 마찬가지로 접착 방식 또는 직접 성형 방식이 적용될 수 있다.
바람직한 실시예로서, 상기 외측 보강부(15)는 잘 미끄러지는 표면을 갖는 폴리이미드 테이프 등을 덧붙여 강성을 보강하면서 표면 특성을 개선하도록 할 수 있다.
결국, 도 4에 나타낸 바와 같이, 내측 보강부(14)와 외측 보강부(15)가 전체적으로 비스듬하게 경사진 면을 형성하므로 외부 물체(20)가 충격을 가하게 될 때 옆으로 튕겨져 나가가거나 쉽게 미끄러져 내려갈 수 있는 구조를 형성하게 되며, 이에 셀(10)의 탭부(13) 및 셀 본체부(12)가 직접적으로 타격 및 훼손당하지 않게 되면서 안전성을 확보할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 셀 파우치에서는 관통에 대한 안전성 확보가 가능해지고, 이와 더불어 안전성 향상으로 셀 설계의 자유도를 높일 수 있는 이점이 있게 된다.
한편, 본 발명자는 에폭시를 사용하여 도 2 및 도 3의 보강부(14)를 형성하고, 이어 에폭시가 도포된 파우치 셀에서 안정성이 확보될 수 있음을 입증하기 위하여 배터리 관통 시험을 실시하였는바, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
종래의 경우 배터리 전압 강하와 발열로 인한 온도 상승(600℃)이 관찰되었으나, 본 발명에서는 관통 후 보강부에 의해 셀 단락이 최소화되면서 우측 아래의 결과에 나타낸 바와 같이 셀의 전압 강하와 온도 상승이 효과적으로 방지됨을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 파우치 셀 11 : 단자대
12 : 셀 본체부 13 : 탭부
14 : 보강부(내측 보강부) 15 : 외측 보강부

Claims (7)

  1. 셀 본체부의 가장자리 부분을 따라 파우치 커버의 실링 부분이 되는 탭부가 형성되고 파우치 커버 내측으로 단자대가 삽입된 구조의 파우치형 이차 전지에 있어서,
    상기 단자대가 위치된 탭부의 바깥면에 고형물로 이루어진 보강부가 셀 본체부와의 경계부를 따라 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보강부는 탭부의 바깥면과 셀 본체부의 측단 돌출면에 걸쳐 형성되어 바깥 표면이 경사면 구조로 된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보강부는 플라스틱 또는 고무 계열의 수지로 형성되고, 접착수단에 의해 부착되거나 직접 성형 방식으로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보강부는 에폭시 몰딩으로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강부를 내측 보강부로 하여 내측 보강부의 표면에 길이방향을 따라 추가적인 외측 보강부가 더 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 외측 보강부는 강성 보강을 위하여 내측 보강부에 비해 경질의 재질로 이루어짐을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 외측 보강부는 접착수단에 의해 부착되거나 직접 성형 방식으로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.

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