KR20140014982A - 두가지 금속이 결합된 전극리드를 포함하는 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀; 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 기판(PCB), 및 상기 PCB의 보호회로에 전기적으로 연결되어 있는 외부입출력단자를 포함하고 있으며, 상기 전지셀의 양극 및 음극과 전기적으로 연결되어 있는 보호회로 모듈(PCM); 및 상기 전지셀과 PCM의 전기적 연결 부위에서 양극 및 음극에 각각 연결된 상태로 전지케이스의 일면 또는 양면에 돌출되어 있는 전극리드들로서, 양극리드 및 음극리드 중 적어도 하나의 리드는 제 1 금속 및 상기 제 1 금속보다 상대적으로 저항이 높은 제 2 금속의 결합으로 이루어져 있는 전극리드들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

두가지 금속이 결합된 전극리드를 포함하는 전지팩 {Battery Pack Having Electrode Lead Combined with Two Kinds of Metal}

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀; 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 기판(PCB), 및 상기 PCB의 보호회로에 전기적으로 연결되어 있는 외부입출력단자를 포함하고 있으며, 상기 전지셀의 양극 및 음극과 전기적으로 연결되어 있는 보호회로 모듈(PCM); 및 상기 전지셀과 PCM의 전기적 연결 부위에서 양극 및 음극에 각각 연결된 상태로 전지케이스의 일면 또는 양면에 돌출되어 있는 전극리드들로서, 양극리드 및 음극리드 중 적어도 하나의 리드는 제 1 금속 및 상기 제 1 금속보다 상대적으로 저항이 높은 제 2 금속의 결합으로 이루어져 있는 전극리드들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.

이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 전지팩의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지 1개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(portable DVD), 소형 PC, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 전지팩의 사용이 요구된다.

이차전지는 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 널리 사용되고 있다. 그 중에서도, 중량이 작고 전해액의 누액 가능성이 적으며 제조비가 저렴한 파우치형 전지가 특히 많은 관심을 모으고 있다.

도 1에는 하나의 예시적인 파우치형 리튬이온 이차전지의 제조방법과 관련한 모식도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 전지(10)는, 고분자 수지와 알루미늄의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스(20)에 양극/분리막/음극으로 이루어진 전극조립체(30)를 장착한 후 전극리드(41, 42)를 전지케이스(20)의 상단에 노출시킨 상태로 결합시켜 제작된다.

전지케이스(20)는 수납부(21)가 형성되어 있는 하부 케이스(22)와 상부 덮개(23)로 이루어져 있고, 하단이 일체로 형성되어 있는 접이식 구조로 이루어져 있다. 수납부(21)에 전극조립체(30)를 안착한 상태에서 하부 케이스(22)의 상단 및 양측 외주면(24)과 상부 덮개(23)의 접촉면을 열융착 등에 의해 결합시켜 밀봉하게 된다. 따라서, 전지의 조립 후 전지케이스(20) 상단 및 양측 외주면(24)은 밀봉부를 형성하게 된다.

양극리드 및 음극리드(41, 42)에는 전극조립체(30)로부터 돌출되어 있는 각각의 전극 탭들(31, 32)이 접속되어 있다. 전지케이스(20)와 양극리드 및 음극리드(41, 42)가 결합되는 부위에는 전해액의 누출을 방지하고 공기중의 수분이 전지내로 침투하는 것을 방지하며 양극리드 및 음극리드(41, 42)의 전기적 절연성을 담보하기 위하여, 얇은 수지 필름상의 실링부재(50)가 결합되어 있다.

전극조립체(30)의 음극은 집전체로서 구리 박막에 활물질을 도포한 구조로 이루어져 있고, 양극은 집전체로서 알루미늄 박막에 전극 활물질을 코팅한 구조로 이루어져 있다. 또한, 양극 및 음극의 전극 탭들(31, 32)은 각각 양극리드 및 음극리드(41, 42)와 용접되며, 이러한 양극리드 및 음극리드(41, 42)는 각각 알루미늄과 니켈로 형성되어 있다.

한편, 리튬이온 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 리튬 이차전지에는 과충전, 과전류 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 안전소자로서 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자, 보호회로 모듈(Protection Circuit Module: PCM) 등이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.

일반적으로 PCM 등은 도전성 니켈 플레이트를 매개로 하여 용접 또는 솔더링 방식으로 전지셀, 구체적으로는, 전지셀의 전극리드에 연결된다. 즉, PCM에 니켈 플레이트를 각각 용접 또는 솔더링하여 접속한 다음, 그러한 니켈 플레이트를 전지셀의 전극리드에 각각 용접 또는 솔더링하는 방법으로 PCM을 전지셀에 연결하여 전지팩을 제조한다.

구리로 이루어진 음극리드는 니켈 플레이트와 용접 등에 의해 안정적으로 결합되지만, 알루미늄으로 이루어진 양극리드는 니켈 플레이트와의 연결시 결합성이 낮아서 쉽게 분리가 되는 문제점이 발생한다. 이에, 알루미늄 소재의 양극리드와 니켈 플레이트를 레이저 용접을 사용하여 결합시키는 방법을 사용할 수도 있지만, 설비 조건이 까다롭고 조립 공정이 복잡해지며 제조비용이 상승되는 단점이 발생한다.

따라서, 조립공정을 간소화하고, 전지셀에 탑재되는 부재들을 상호간 안정적으로 결합시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

구체적으로, 본 발명의 목적은, 전극리드를 전극 탭 또는 PCM과 안정적으로 결합시킴으로써 단락을 방지하는 구조의 전지팩을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 조립 공정을 간소화 하여 제조 공정성을 향상시킬 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,

양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀;

보호회로가 형성되어 있는 보호회로 기판(PCB), 및 상기 PCB의 보호회로에 전기적으로 연결되어 있는 외부입출력단자를 포함하고 있으며, 상기 전지셀의 양극 및 음극과 전기적으로 연결되어 있는 보호회로 모듈(PCM); 및

상기 전지셀과 PCM의 전기적 연결 부위에서 양극 및 음극에 각각 연결된 상태로 전지케이스의 일면 또는 양면에 돌출되어 있는 전극리드들로서, 양극리드 및 음극리드 중 적어도 하나의 리드는 제 1 금속 및 상기 제 1 금속보다 상대적으로 저항이 높은 제 2 금속의 결합으로 이루어져 있는 전극리드;

를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

즉, 본 발명의 전지팩은 전극조립체와 PCM을 연결하는 양극리드 및 음극리드 중 적어도 하나가 저항값이 다른 제 1 금속 및 제 2 금속이 결합된 구조로 이루어져 있다. 이러한 구조에서 제 1 금속 및 제 2 금속 중 하나는 상기 전극조립체와 접속되고, 다른 하나는 상기 PCM에 접속된다. 이 때, 전극리드가 접속되는 전극조립체 및 PCM의 접속 부위의 소재에 대응하여, 저항값이 비슷한 제 1 금속 및 제 2 금속 중 하나가 상기 전극조립체 또는 PCM의 접속 부위에 용접 또는 솔더링으로 접속되는 구조로 이루어진다.

따라서, 전극리드가 전극조립체 및 PCM의 접속 부위와 용접 또는 솔더링으로 안정적로 연결될 수 있다.

이러한 제 1 금속 및 상기 제 1 금속보다 상대적으로 저항이 높은 제 2 금속의 결합으로 이루어져 있는 전극리드는 전지팩의 부품의 상태로 미리 제조되어 전지팩의 조립 공정에서 간단한 결합과정으로 전지팩의 전극조립체 및 PCM에 연결될 수 있다.

상기 전극조립체는, 예를 들어, 일측에 전극 탭들이 돌출되어 있는 바이셀들 또는 풀셀들이 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전극리드는 상기 바이셀들 또는 풀셀들의 돌출된 전극 탭들에 결합된다. 상기 바이셀들 또는 풀셀들을 사용하여 전극조립체를 구성하는 방법은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호 및 제2001-82060호에 자세히 개시되어 있으며, 상기 출원들은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.

상기 제 1 금속 및 제 2 금속은 전기 전도성을 가지는 금속으로서 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 상기 제 1 금속은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이고, 상기 제 2 금속은 니켈 또는 니켈 합금일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 양극리드는 제 1 금속 및 제 2 금속의 결합 구조로 이루어질 수 있고, 상기 음극리드는 제 2 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 양극리드는 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 니켈 또는 니켈 합금이 결합된 구조로 이루어질 수 있고, 상기 음극리드는 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 양극리드의 제 1 금속은 전극조립체의 양극 탭들과 연결되고 제 2 금속은 PCM과 결합될 수 있다. 상기 PCM은, 예를 들어, 전극리드들이 용접 또는 솔더링에 의해 결합되는 니켈 플레이트를 포함하는 구조로 이루어지며, 구체적으로 상기 제 2 금속은 상기 니켈 플레이트에 결합되는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 제 1 금속과 제 2 금속의 결합은 이종 재료 접합법에 의해 달성될 수 있다. 상기 이종 재료 접합법의 예로서, 열융착, 압연, 화학적 접착, 레이저 용접, 스팟 용접, 도금, 및 코팅으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 제 1 금속과 제 2 금속은 판상형의 부재로 이루어져 있고, 제 1 금속의 일측 단부와 제 2 금속의 일측 단부가 상호 접촉된 상태로 접합된 구조로 이루어질 수 있다. 상기 제 1 금속의 일측 단부와 제 2 금속의 일측 단부가 상호 접촉된 상태는 각각의 금속의 단부들이 상하로 겹쳐져 있거나, 또는 단부 끝 부분이 서로 밀착된 형태를 의미한다. 따라서, 상기와 같이 접촉된 부위가 이종 재료 접합법에 의해 서로 결합되는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 제 1 금속 및 제 2 금속의 접합 부위의 일면 또는 양면에 절연성 필름이 부착될 수 있다. 상기 절연성 필름의 소재는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 전지팩에 사용될 수 있는 전지셀은 다양한 종류가 가능하며, 바람직하게는, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 밀봉되어 있는 얇은 두께와 낮은 중량의 파우치형 이차전지일 수 있다.

또한, 상기 전지셀은, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬이온 이차전지 또는 리튬이온 폴리머 이차전지일 수 있다.

상기 전지팩은 구조적 안정성 등을 고려할 때, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

따라서, 본 발명은 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치일 수 있다.

이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 전극조립체와 PCM을 연결하는 양극리드 및 음극리드 중 적어도 하나가 저항값이 다른 제 1 금속 및 제 2 금속이 결합된 구조로 이루어지므로, 전극리드를 전극 탭 및 PCM과 결합할 때 용접성을 향상시켜 안정적으로 결합함으로써 단락을 방지하는 효과가 있다.

또한, 제 1 금속 및 제 2 금속이 결합된 구조의 전극리드를 부품의 상태로 미리 제조하여 전지팩의 조립 공정에서 간단한 결합과정으로 전지팩의 전극조립체 및 PCM에 용이하게 결합할 수 있어서 제조 공정성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 파우치형 리튬이온 이차전지의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 3은 도 2의 전극리드 부분에 관한 모식도이다;
도 4 및 도 5는 양극리드의 금속 결합 구조에 관한 모식도들이다.

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 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전극리드 부분에 관한 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지팩(100)은 전지셀(110), 보호회로 모듈(PCM: 120), 및 전극리드(130, 140)를 포함하는 구조로 구성된다.

전지셀(110)은 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있고, PCM(120)은 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 기판(PCB: 122), 및 PCB(122)의 보호회로에 전기적으로 연결되어 있는 외부입출력단자(도시하지 않음)를 포함하는 구조로 이루어져 있다. 외부입출력단자는 PCB(122) 상에 형성되어 있을 수도 있고, PCB(122)로부터 연장된 상태에서 별도의 부재로서 포함될 수도 있다.

전극리드(130, 140)는 전지셀(110)과 PCM(120)의 전기적 연결 부위에서 전극조립체의 양극 탭들(도시하지 않음) 및 음극 탭들(도시하지 않음)에 각각 연결된 상태로 전지케이스(112)의 일면에 돌출되어 있으며, 전극리드(130, 140) 중에서 양극리드(130)는 제 1 금속(132), 및 제 1 금속(132)보다 상대적으로 저항이 높은 제 2 금속(134)의 결합된 구조로 형성되어 있다.

제 1 금속(132)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이고, 제 2 금속(134)은 니켈 또는 니켈 합금이며, 양극리드(130)의 제 1 금속(132)은 전극조립체의 양극 탭들과 연결되고, 제 2 금속(134)은 PCM(120)에 결합된 니켈 플레이트(124)와 연결되어 있다.

제 1 금속(132) 및 제 2 금속(132)의 접합 부위의 양면에는 폴리프로필렌(PP) 소재의 절연성 필름(150)이 부착되어 있어서, 제 1 금속(132)과 제 2 금속(134)의 결합력을 보완하고, 전지케이스(112)와 양극리드(130)가 결합된 부위를 통해 전해액이 누출되는 것을 방지하고 공기중의 수분이 전지내로 침투하는 것을 방지하는 구조로 이루어져 있다.

도 4 및 도 5에는 도 3의 양극리드의 금속 결합 구조에 관한 모식도들이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 제 1 금속(132)과 제 2 금속(134)은 판상형의 부재로 이루어져 있고, 제 1 금속(132)의 일측 단부와 제 2 금속(134)의 일측 단부가 상호 접촉된 상태로 접합된 구조로 이루어져 있다. 이러한 구조는 도 4와 같이 각각의 금속의 단부들이 상하로 겹쳐져 있거나, 또는 도 5와 같이 단부 끝 부분이 서로 밀착된 형태로 이루어져 있다.

제 1 금속(132)과 제 2 금속(134)의 단부의 접촉된 부위는 이종 재료 접합법에 의해 서로 결합된다. 이종 재료 접합법의 예로 열융착, 압연, 화학적 접착, 레이저 용접, 스팟 용접, 도금, 및 코팅으로 이루어진 군 중 하나 이상에서 선택될 수 있다.

본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀;
   보호회로가 형성되어 있는 보호회로 기판(PCB), 및 상기 PCB의 보호회로에 전기적으로 연결되어 있는 외부입출력단자를 포함하고 있으며, 상기 전지셀의 양극 및 음극과 전기적으로 연결되어 있는 보호회로 모듈(PCM); 및
   상기 전지셀과 PCM의 전기적 연결 부위에서 양극 및 음극에 각각 연결된 상태로 전지케이스의 일면 또는 양면에 돌출되어 있는 전극리드들로서, 양극리드 및 음극리드 중 적어도 하나의 리드는 제 1 금속 및 상기 제 1 금속보다 상대적으로 저항이 높은 제 2 금속의 결합으로 이루어져 있는 전극리드들;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 일측에 전극 탭들이 돌출되어 있는 바이셀들 또는 풀셀들이 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 전극 탭들이 전극리드에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 금속은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이고, 상기 제 2 금속은 니켈 또는 니켈 합금인 것을 특징으로 하는 전지팩.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 양극리드는 제 1 금속 및 제 2 금속의 결합 구조로 이루어져 있고, 상기 음극리드는 제 2 금속으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 양극리드의 제 1 금속은 양극과 연결되어 있고 제 2 금속은 PCM과 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 금속과 제 2 금속의 결합은 이종 재료 접합법에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 이종 재료 접합법은 열융착, 압연, 화학적 접착, 레이저 용접, 스팟 용접, 도금, 및 코팅으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 금속과 제 2 금속은 판상형의 부재로 이루어져 있고, 제 1 금속의 일측 단부와 제 2 금속의 일측 단부가 상호 접촉된 상태로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 금속 및 제 2 금속의 접합 부위의 일면 또는 양면에 절연성 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 절연성 필름은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 전극조립체가 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬이온 이차전지 또는 리튬이온 폴리머 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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