KR20120103307A - 셀 고정 부재가 구비되는 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀 고정 부재가 구비되는 배터리에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 셀 적층 구조에서 각 셀들 사이에 셀을 지지하거나 고정시키는 부재가 개재되도록 하여 셀의 진동을 막아 셀 적층체의 내진동성을 개선시키는, 셀 고정 부재가 구비되는 배터리를 제공함에 있다.
본 발명의 셀 고정 부재가 구비되는 배터리는, 전극 탭(111)이 일측으로 돌출되는 다수 개의 전지 셀(110)이 배열되어 적층체를 형성하고, 상기 적층체가 케이스(150) 내에 수용되어 이루어지는 배터리(100)에 있어서, 상기 적층체 최외측의 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 내벽면 사이에, 상기 셀(110)의 진동을 억제하도록 진동 억제 부재(130)가 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

셀 고정 부재가 구비되는 배터리 {Battery having Cell Fixing Part}
본 발명은 셀 고정 부재가 구비되는 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 셀 적층 구조에 셀을 고정시키는 별도의 부재가 구비되도록 함으로써 셀의 내진동성을 개선시키는 셀 고정 부재가 구비되는 배터리에 관한 것이다.
전지는 크게 1차 전지와 2차 전지로 구분될 수 있는데, 1차 전지란 비가역적인 반응을 이용하여 전기를 생산하므로 한 번 사용된 후에는 재사용이 불가능한 전지로서 일반적으로 많이 사용하는 건전지, 수은 전지, 볼타 전지 등이 이에 속하며, 2차 전지는 이와는 달리 가역적인 반응을 이용하므로 사용 후 충전하여 재사용이 가능한 전지로서 납 축전지, 리튬 이온 전지, 니카드(Ni-Cd) 전지 등이 이에 속한다. 도 1은 2차 전지 중 하나인 일반적인 리튬 이온 전지의 구조를 개념적으로 도시한 것이다. 리튬 이온 전지와 리튬 이온 폴리머 전지는 전해질의 성상(액체/고체)만 다를 뿐 그 구조는 동일하다. 또한, 전지에 따라 전해질이나 극의 재질이 도 1에 기재된 재질과는 조금씩 다를 수도 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 리튬 이온 전지는 일반적으로 탄소로 이루어지는 음극(1) 및 일반적으로 리튬 화합물로 이루어지는 양극(2), 두 극(1, 2) 사이에 위치하는 전해질(3), 그리고 음극(1) 및 양극(2)을 연결하는 전선(4)을 포함하여 구성된다. 전해질(3) 내의 리튬 이온은 충전(charge) 시에는 음극(1) 쪽으로, 방전(discharge) 시에는 양극(2) 쪽으로 이동하며, 각 극에서 잉여의 전자를 방출하거나 또는 흡수하면서 화학 반응을 일으키게 된다. 이러한 과정에서 상기 전선(4)에 전자가 흐르게 되며, 이에 따라 전기 에너지가 발생하게 된다. 여기에서 리튬 이온 전지를 사용하여 설명하였으나, 다른 2차 전지의 경우도 전극 또는 전해질로 사용되는 물질이 달라질 뿐 기본 원리 및 구조는 이와 동일하다. 즉, 일반적으로 2차 전지는 상술한 바와 같이 음극(1), 양극(2), 전해질(3) 및 전선(4)을 포함하여 이루어지는 것이다.
이 때, 2차 전지는 음극(1), 양극(2), 전해질(3) 및 전선(4)이 각각 단일 개 구비되어 형성될 수도 있지만, 보다 일반적으로는 단일 개의 음극(1), 양극(2), 전해질(3) 및 전선(4)으로 이루어지는 단위 셀(10)이 다수 개 연결되어 이루어진다. 즉, 2차 전지 팩의 내부에는 상기 설명한 바와 같은 단위 셀(10)이 다수 개 들어 있게 된다. 물론 각 단위 셀(10)은 전기적으로 서로 연결된다.
일반적으로 2차 전지는 그 내부에 다수 개의 단위 셀을 포함하고 있으며, 또한 일반적으로 각 셀의 전극들과 연결된 한 쌍의 외부 단자 탭(즉 각 단위 셀의 음극들이 연결된 하나의 음극, 각 셀의 양극들이 연결된 하나의 양극으로서, 전지 하나당 한 쌍이 구비되어 전극으로서 기능하는 탭)이 외부로 노출되어 있는 형태로 구성된다. 이와 같은 2차 전지들은 일반적으로 단일 개 사용되기보다는 다수 개가 연결되어 하나의 팩으로서의 배터리를 형성하게 된다. 이러한 팩 형태의 배터리에서 각각의 전지들을 (전지를 구성하는 단위 셀과 구별하여) 셀이라 칭하며, 물론 각 셀의 탭들은 전기적으로 연결되게 된다.
이와 같이 배터리는 일반적으로 셀들이 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 셀들의 적층체는 케이스 내에 수용되게 되는데, 이 때 셀들의 적층체를 케이스 내에 수용시키는 조립 과정에서 셀이 손상되는 것을 막기 위해 셀 적층체와 케이스 간에 일부 유격이 어느 정도 있게 된다. 그런데 조립 시에는 이러한 유격의 존재가 유리하나, 조립이 완료된 이후에는 셀 적층체와 케이스 간 유격 때문에 외부에서 진동이 전달되는 등의 충격이 올 때 셀 적층체가 흔들리게 되는 문제가 있었다. 이와 같이 셀이 진동할 경우, 셀 간의 마찰에 의하여 마찰열에 의한 셀 표면 손상이 발생하거나 셀의 전극 탭이 절단되는 등의 큰 손상이 발생하게 되었다. 이와 같은 직접적인 손상 뿐만 아니라, 셀 간에서 발생되는 마찰열 때문에 셀 적층체의 온도가 올라가게 되어 배터리 성능이 저하되는 문제점 또한 있었다. 따라서 셀 적층체를 배터리 케이스 내에 안정적으로 고정시켜야 하는 높은 필요성이 있다.
종래에 셀을 안정적으로 고정시키기 위한 여러 기술들이 있어 왔다. 도 2(A)에 도시된 바와 같은 한국특허등록 제0770115호("배터리 팩", 이하 선행기술 1)에서는 셀의 외부 케이스에 구멍을 형성하여 몰딩재를 주입할 수 있도록 함으로써 셀을 외부 케이스에 안정적으로 고정시키도록 하고 있다. 그러나 선행기술 1은 셀이 적층되는 구조로 이루어지는 배터리에 관한 기술이 아닌 바, 셀 적층체를 케이스 내에 고정시키는 기술에 그대로 적용하기에는 어려움이 있다.
도 2(B)에 도시된 바와 같은 한국특허공개 제2006-0108921호("연료 전지 시스템용 스택", 이하 선행기술 2)에서는 연료 전지 시스템용 스택의 전면에 보강 리브가 일체로 형성되는 앤드플레이트를 포함시킴으로써, 보강 리브에 의하여 셀 적층체를 고정 지지하도록 하고 있다. 그런데 이 경우에도, 보강 리브와 나란한 방향으로의 진동에 대해서는 진동 억제 효과가 없으며, 보강 리브와 수직한 방향으로의 진동에 대해서는 어느 정도 셀의 진동을 억제할 수 있는 효과가 있겠으나 미세한 빠른 진동에 의하여 셀 간 마찰열 발생을 완전히 방지하는 것은 어렵다. 또한 이 경우 셀 적층체 자체의 구조를 견고하게 하는 것일 뿐으로, 셀 적층체와 케이스 간의 유격이 있는 경우에 대한 고려는 없어 위에서 제기한 문제점에 대한 해결책이 되지 못한다.
도 2(C)에 도시된 바와 같은 일본특허공개 제2010-198861호("셀 압박 어셈블리", 이하 선행기술 3)에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 엔드 측부재 및 셀 측부재와, 상기 엔드 측부재와 상기 셀 측부재와의 사이에 배치되는 탄성 부재와, 상기 탄성 부재를 압축 변형시키고 상기 엔드 측부재와 상기 셀 측부재와의 사이격을 좁게 한 상태로, 상기 엔드 측부재와 상기 셀 측부재를 고정하는 고정부재를 갖는 연료 전지 스택의 셀 적층체를 압박하기 위한 셀 압박 어셈블리를 제안하고 있다. 선행기술 3에 의하면 셀 적층체의 진동을 확실히 향상시켜 셀 간 마찰열 발생 및 셀 탭 절단 현상을 효과적으로 방지할 수 있겠으나, 선행기술 3을 실제 연료 전지에 도입하자면 별도의 구성품을 제작하고 조립하는 데 상당한 시간, 비용, 인력 등의 자원이 더 필요하게 되는 문제가 있으며, 또한 선행기술 3에 기재된 셀 압박 어셈블리를 셀 적층체와 케이스 사이에 구비시키기 위해서는 셀 적층체와 케이스 간에 상당한 유격이 필요한 바, 셀 압박 어셈블리를 개재시키기 어려울 정도로 좁은 유격을 가지는 경우에는 적용이 불가능하다는 문제 또한 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 셀 적층 구조에서 각 셀들 사이에 셀을 지지하거나 고정시키는 부재가 개재되도록 하여 셀의 진동을 막아 셀 적층체의 내진동성을 개선시키는, 셀 고정 부재가 구비되는 배터리를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 셀 고정 부재가 구비되는 배터리는, 전극 탭(111)이 일측으로 돌출되는 다수 개의 전지 셀(110)이 배열되어 적층체를 형성하고, 상기 적층체가 케이스(150) 내에 수용되어 이루어지는 배터리(100)에 있어서, 상기 적층체 최외측의 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 내벽면 사이에, 상기 셀(110)의 진동을 억제하도록 진동 억제 부재(130)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 진동 억제 부재(130)는 상기 적층체 최외측의 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 내벽면 사이에 주입되는 몰딩재인 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 진동 억제 부재(130)는 실리콘인 것이 바람직하다.
또는, 상기 배터리(100)는 상기 셀(110)들 사이에 개재되어 상기 셀(110)의 위치를 고정 지지하는 지지 부재(120)를 더 포함하여 이루어지며, 상기 진동 억제 부재(130)는 상기 지지 부재(120)와 상기 셀(110)을 접착 고정시키는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 진동 억제 부재(130)는 접착 테이프 또는 접착제인 것이 바람직하다.
더불어, 상기 진동 억제 부재(130)는 상기 셀(110)들 사이에 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 종래에 셀 적층체가 케이스 내에 수용되어 있는 상태에서 외부 진동 등의 충격이 왔을 때, 셀 적층체와 케이스 간 유격 때문에 셀 적층체가 진동하던 문제점을 제거하여, 외부 충격이 와도 셀을 안정적으로 고정 지지해 줄 수 있게 되어 셀 적층체의 내진동성을 크게 개선시키는 효과가 있다. 이에 따라, 종래에 진동 때문에 셀 간 마찰열 발생으로 인하여 셀 표면이 손상되는 문제나, 또는 셀 전극 탭이 절단되는 문제 또한 원천적으로 제거되는 큰 효과가 있다. 더불어, 종래에 진동에 의하여 셀 간 마찰열이 발생함으로써 셀 온도가 올라가서 성능이 저하되던 문제점에 있어서, 본 발명에 의하면 셀 적층체의 내진동성을 개선시킴으로써 마찰열 발생 요인을 제거하게 되므로, 상술한 바와 같은 문제점 역시 자연히 제거되는 큰 효과가 있다.
도 1은 일반적인 리튬 이온 전지의 구조도.
도 2는 종래의 셀 고정 구조.
도 3은 배터리 기본 구조의 사시도.
도 4는 배터리 구조의 상세도.
도 5는 본 발명의 배터리 구조의 실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 셀 고정 부재가 구비되는 배터리를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3은 배터리 기본 구조의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 배터리(100)는 한 쌍의 탭(111)을 가지는 다수 개의 전지 셀(110)들이 배열되어 이루어진다. 일반적으로 상기 탭(111)은 하나의 셀(110) 당 음극 탭(111a) 및 양극 탭(111b) 하나씩 구비되어, 즉 하나의 셀(110) 당 상기 탭(111)이 한 쌍 구비되게 된다. 상기 셀(110)들 사이에는 상기 셀(110)의 위치를 고정 지지하는 지지 부재(120)가 개재될 수 있는데, 이러한 지지 부재(120)는 알루미늄과 같은 금속재로 이루어지는 경우도 있고, 또는 전기적 절연체 재질로 이루어질 수도 있다.
도 4는 배터리 구조를 보다 상세히 도시한 것이다. 도 3에서는 개념적인 설명을 위하여 최대한 개략화하여 배터리 구조를 도시하였으나, 도 4에서는 보다 실제적인 구조를 도시하고 있다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 일반적으로 상기 셀(110)은 그대로 노출되어 있는 것은 아니며, 도 4(A)에 도시되어 있는 바와 같이 한 쌍의 상기 셀(110)들 사이에 상기 지지 부재(120)가 개재되고, 셀 - 지지 부재 - 셀의 결합체가 셀 케이스(140)에 수용되는 구조로 이루어져 상기 셀(110)이 외부로 노출되지 않도록 1차적으로 보호하게 된다. (물론 도 4(A)에 도시되어 있는 것은 하나의 예시일 뿐으로 이로써 본 발명이 제한되는 것은 아니다.)
상기 셀(110)들이 어떠한 형태로 적층되건, 최종적으로는 상기 셀(110)들의 적층체는 도 4(B)에 도시된 바와 같이 케이스(150)에 수용되어 상기 배터리(100)가 이루어지게 된다. 물론 여기에 전압 센싱 구조 등이 더 구비될 수 있으나, 본 발명에서 고려하고 있는 구조와 관련이 없는 부분이므로 이러한 부가 구조에 대한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 전극 탭(111)이 일측으로 돌출되는 다수 개의 전지 셀(110)이 배열되어 적층체를 형성하고, 상기 적층체가 상기 케이스(150) 내에 수용되어 이루어지는 배터리(100)에 있어서, 본 발명에서는 상기 적층체 최외측의 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 내벽면 사이에, 상기 셀(110)의 진동을 억제하도록 진동 억제 부재(130)가 구비되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이를 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 종래에는 상기 셀(110)들의 적층체와 상기 케이스(150) 사이에 유격이 존재하기 때문에, 외부에서 충격이 가해지거나 할 경우 셀 적층체가 흔들려 상기 케이스(150)와 마찰을 일으키게 되고, 이에 따라 상기 셀(110)의 표면이 손상되기도 하고 마찰열이 발생하여 상기 셀(110)에서의 온도가 올라가는 등의 문제점이 있었다. 또한 셀 적층체가 흔들림에 따라 상기 셀(110)의 전극 탭(111)에도 충격이 가해지게 되며, 이에 따라 상기 탭(111)이 절단되는 등의 큰 파손이 일어나는 문제도 있었다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 제거하기 위하여, 상기 진동 억제 부재(130)가 상기 적층체 최외측의 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 내벽면 사이에 개재 구비되도록 한다. 이에 따라 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 사이의 유격이 제거되며, 이에 따라 외부에서 진동 등의 충격이 가해진다 해도 상기 셀(110)의 진동이 억제될 수 있게 되는 것이다.
이러한 상기 진동 억제 부재(130)는 비단 상기 적층체 최외측의 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 내벽면 사이에만 구비되는 것이 아니라, 상기 셀(110)들 사이에도 더 구비되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 상기 셀(110)들이 적층되어 이루어지는 셀 적층체 자체 및 상기 적층체와 상기 케이스(150)의 조립체 모두에서 내진동성이 크게 개선될 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 진동 억제 부재의 여러 실시예들을 도시한 것이다. 여기에서 상기 진동 억제 부재(130)는 '부재'라고 표현되어 어떤 고정적인 형태를 가지는 부품인 것으로 생각될 수 있으나, 이는 별도의 물체임을 나타내는 것으로서 다만 그 물체를 지칭하기 위해 사용된 용어로서, 이하에서 나타나듯이 상기 진동 억제 부재(130)는 어떤 고정적인 형태를 가지는 부품이 아닐 수 있음을 미리 밝혀 둔다.
도 5(A)는 상기 진동 억제 부재(130)가 상기 적층체 최외측의 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 내벽면 사이에 주입되는 몰딩재로 구현되는 실시예를 도시하고 있다. 상기 진동 억제 부재(130)가 몰딩재로 구현될 경우, 상기 진동 억제 부재(130)는 실리콘인 것이 바람직하다. 물론 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 내벽면 사이에 용이하게 주입될 수 있으며, 굳어진 후에는 상기 셀(110)을 고정 지지함과 동시에 외부로부터의 진동이나 충격을 흡수할 수 있는 재질이라면 어떤 재질로 이루어져도 무방하다. 또한, 이와 같이 상기 진동 억제 부재(130)가 몰딩재로 구현되는 경우, 상기 진동 억제 부재(130)는 상기 셀(110)들 사이, 상기 셀(110) 및 상기 지지 부재(120) 사이, 상기 셀(110)과 도 4에 도시된 셀 케이스(140) 사이 등, 유격이 발생되는 부분 어디에나 주입될 수 있다.
이러한 몰딩재 형태로 구현되는 상기 진동 억제 부재(130)는 특히 상기 셀(110)로 이루어지는 적층체와 상기 케이스(150) 간 유격을 제거하는데 효과적으로 사용될 수 있으며, 따라서 셀 적층체 및 상기 케이스(150)의 조립체에서의 내진동성을 특히 개선할 수 있다.
도 5(B)는 상기 배터리(100)가 상기 셀(110)들 사이에 개재되어 상기 셀(110)의 위치를 고정 지지하는 지지 부재(120)를 더 포함하여 이루어지는 경우에 있어서, 상기 진동 억제 부재(130)가 상기 지지 부재(120)와 상기 셀(110)을 접착 고정시키는 역할을 하는 부재인 실시예를 도시하고 있다. 즉 상기 셀(110)이 상기지지 부재(120)에 접착 고정됨으로써 상기 셀(110)로 이루어지는 셀 적층체 자체에서의 내진동성을 크게 개선할 수 있다. 이 경우에서의 상기 진동 억제 부재(130)는 접착 테이프 또는 접착제로 용이하게 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이 셀 적층 구조 내에 진동 억제 부재를 주입 또는 접착하여 셀 적층체 자체 및 셀 적층체 - 케이스 조립체의 내진동성을 향상시킴으로써, 위에서 설명한 바와 같은 문제점들이 개선되는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다. 실제로 이러한 진동 억제 부재가 구비되지 않은 경우 및 진동 억제 부재를 구비한 경우 각각에 대하여 동일 조건에서 진동 실험을 수행한 결과, 후자의 경우(즉 본 발명의 경우) 셀 표면 손상 및 전극 탭 절단 현상이 발견되지 않았으며, 또한 온도 상승폭이 20% 가량 줄어듦을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 배터리
110: 셀 111: 탭
120: 지지 부재 130: 진동 억제 부재
140: 셀 케이스 150: 케이스

Claims (6)

  1. 전극 탭(111)이 일측으로 돌출되는 다수 개의 전지 셀(110)이 배열되어 적층체를 형성하고, 상기 적층체가 케이스(150) 내에 수용되어 이루어지는 배터리(100)에 있어서,
    상기 적층체 최외측의 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 내벽면 사이에, 상기 셀(110)의 진동을 억제하도록 진동 억제 부재(130)가 구비되는 것을 특징으로 하는 셀 고정 부재가 구비되는 배터리.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 진동 억제 부재(130)는
    상기 적층체 최외측의 상기 셀(110)과 상기 케이스(150) 내벽면 사이에 주입되는 몰딩재인 것을 특징으로 하는 셀 고정 부재가 구비되는 배터리.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 진동 억제 부재(130)는
    실리콘인 것을 특징으로 하는 셀 고정 부재가 구비되는 배터리.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 배터리(100)는
    상기 셀(110)들 사이에 개재되어 상기 셀(110)의 위치를 고정 지지하는 지지 부재(120)를 더 포함하여 이루어지며, 상기 진동 억제 부재(130)는
    상기 지지 부재(120)와 상기 셀(110)을 접착 고정시키는 것을 특징으로 하는 셀 고정 부재가 구비되는 배터리.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 진동 억제 부재(130)는
    접착 테이프 또는 접착제인 것을 특징으로 하는 셀 고정 부재가 구비되는 배터리.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 진동 억제 부재(130)는
    상기 셀(110)들 사이에 더 구비되는 것을 특징으로 하는 셀 고정 부재가 구비되는 배터리.
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