KR20140028199A - 이차 전지용 배터리 셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차 전지용 배터리 셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 셀 내부의 전극 포일(foil)을 이용하여 배터리 셀을 예열 또는 냉각시키는 이차 전지용 배터리 셀에 관한 것이다.

Description

이차 전지용 배터리 셀{Battery Cell for Secondary Battery}

본 발명은 이차 전지용 배터리 셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 셀 내부의 전극 포일(foil)을 이용하여 배터리 셀을 예열 또는 냉각시키는 이차 전지용 배터리 셀에 관한 것이다.

통상적으로 2차 전지는 재충전이 가능하고 대용량화가 가능한 것으로 대표적인 것으로 니켈카드뮴, 니켈수소 및 리튬이온전지 등이 있다. 이중에서 상기 리튬이온전지는 장 수명, 고용량 등 우수한 특성으로 인하여 차세대 동력원으로 주목받고 있다. 이 중에서, 리튬 2차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용이 증가되고 있는 추세이다.

상기 리튬 2차 전지는 다양한 형태로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있다. 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치 형(pouched type)으로 제조되어, 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한 리튬 폴리머 전지는 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다.

위와 같은 구성의 파우치형으로 되는 배터리 셀은 전지부와, 상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 케이스를 포함하여 구성된다. 배터리 셀은 다수 개가 적층되어 사용되는 경우가 대부분인데 적층되는 배터리 셀 간의 연결을 위해 전지부와 통전되는 전극탭이 케이스 외부로 노출되며, 각각의 전극탭을 직렬 또는 병렬 연결하여 대용량의 전압 또는 전류를 공급하게 된다.

배터리 셀은 적정 온도에 도달하지 않은 상태 즉 초기 사용 시 또는 혹한의 환경에서 사용될 경우 성능이 저하되며, 수명이 단축되는 특성이 있다. 따라서 2차 전지의 적정 구동온도 보다 낮은 저온 환경에 노출되는 2차 전지를 적정 온도에 도달 시킬 수 있는 예열 시스템이 요구된다.

또한, 배터리 셀은 동작 시 적정 온도에서 벗어나는 열이 발생하는 데 케이스로 인해 대기와의 열교환 효율이 떨어져 성능 저하의 요인이 되고 있다. 이를 극복하기 위해 종래에는 셀 케이스를 알루미늄 재질로 구성하여 배터리 셀의 열교환 효율이 개선되기는 하였으나, 보다 효과적으로 배터리 셀을 냉각시키기 위한 기술의 개발이 요구된다.

한국등록특허공보 제10-1095346호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 배터리 셀의 케이스 내부 구성인 양극 포일 또는 음극 포일을 이용하여 배터리 셀을 예열 또는 냉각시키는 이차 전지용 배터리 셀을 제공함에 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 셀은, 전극 포일이 일정 간격으로 배치되며, 각각의 전극 포일 사이에 구비되는 세퍼레이터를 포함하는 전지부; 상기 전지부가 수용되며, 둘레부를 따라 폐곡선을 이루는 밀폐면이 형성되는 케이스; 및 일측이 상기 전극 포일과 전기적으로 연결되며, 타측이 상기 케이스의 외부로 노출되도록 형성되는 전극탭; 상기 전극 포일에서 상기 전지부 외측으로 연장 형성되는 열교환 포일; 상기 열교환 포일과 열교환을 위해 케이스 외측에 상기 열교환 포일과 맞닿도록 구비되는 열교환 수단; 을 한다.

또한, 상기 열교환 포일은, 상기 전극 포일에 일체로 형성된다.

이때, 상기 전극 포일은, 양극 포일과, 음극 포일로 구성되며, 상기 열교환 포일은, 상기 양극 포일과 음극 포일 중 어느 하나에 형성 된다.

또한, 상기 열교환 포일은, 상기 케이스 둘레면 상의 상기 전극탭이 구비되는 측을 제외한 적어도 하나 이상의 측면부에 형성된다.

아울러, 상기 열교환 수단은, 열전도체로 이루어지며, 상기 열교환 수단의 내부에는, 냉매가 유동될 수 있다.

또한, 상기 열교환 수단은, 내부에 냉매가 유동되는 히트파이프로 이루어질 수도 있다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 이차전지용 배터리 셀은 배터리 셀 내부 구성을 통해 배터리 셀을 냉각시켜 배터리 셀 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 또한, 초기 사용 시 배터리 셀의 내부를 예열하여 저온 환경에서의 이차전지의 성능 개선 및 수명 연장의 효과가 있다. 아울러, 배터리 셀의 기본 구성인 전극 포일을 이용하여 열교환이 이루어지기 때문에 배터리 셀의 열교환을 위한 추가 구성을 최소화하여 부피 및 무게 증가에 따른 비용 손실을 감소시킨다.

도 1은 본 발명의 일실시 예의 배터리 셀 사시도
도 2는 본 발명의 일실시 예의 배터리 셀 정면투시도
도 3은 본 발명의 일실시 예의 배터리 셀 정면투시도(열교환 수단 포함)
도 4a는 본 발명의 제1 실시 예의 배터리 셀 종단면도 (도 1 AA')
도 4b는 본 발명의 제2 실시 예의 배터리 셀 종단면도 (도 1 AA')
도 5는 본 발명의 제3 실시 예의 배터리 셀 정면투시도
도 6은 본 발명의 제3 실시 예의 배터리 셀 정면투시도(열교환 수단 포함)

본 발명의 일실시 예의 배터리 셀은, 케이스 내에 수용되는 전극 포일을 이용하여 배터리 셀을 예열 또는 냉각시킴에 그 특징이 있다. 즉 전극 포일을 전기 전달의 수단뿐만 아니라, 열전달의 수단으로도 이용한다. 이를 위해 본 발명의 일실시 예의 배터리 셀은 케이스 내부에 열교환 공간을 형성하고, 상기 공간에 전극 포일이 연장 형성되도록 구성하였다. 연장 형성된 전극 포일 상에는 열전도체와 같은 열교환 수단이 케이스 외부에 밀착되도록 구성하여 열교환 수단을 통해 전극 포일이 열교환 되도록 구성하였다.

이하 상기와 같은 구성의 본 발명의 세부 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

-실시 예1

도 1 내지 도 3 및 도 4a를 참조하면, 본 발명의 제 1실시 예에 따른 배터리 셀(100)은 전지부(110), 케이스(120), 전극탭(130, 140), 열교환 포일(150) 및 열교환 수단(160)을 포함하여 구성된다.

케이스(120)의 내부에 수용되는 전지부(110)는 전극 포일(111, 112)과 세퍼레이터(113)로 구성된다. 전극 포일(111, 112)은 다수 개의 양극 포일(111)과 음극 포일(112)이 서로 교번 적층되어 구성되며, 양극 포일(111)과 음극 포일(112)의 사이에는 세퍼레이터(113)가 배치되어 양극 포일(111)과 음극 포일(112)을 격리한다. 따라서 전지부(110)는 양극 포일(111), 세퍼레이터(113), 음극 포일(112) 순으로 배치되어서 일방향으로 와인딩되거나, 다수 장의 양극 포일(111), 세퍼레이터(113) 및 음극 포일(112)이 적층된 형상이다. 전지부(110)의 각각의 양극 포일(111)은 양전극탭(130)과 전기적으로 연결되며, 각각의 음극 포일(112)은 음전극탭(140)과 전기적으로 연결된다. 양극 포일(111)은 알루미늄 재질의 금속 박판 형태로 되며, 전기 발생을 위해 활성 물질이 외면에 도포될 수 있다. 음극 포일(112)은 구리 재질의 금속 박판 형태로 되며, 전기 발생을 위해 활성 물질이 외면에 도포될 수 있다. 도면상에는 양극 포일(111), 세페레이터(113), 음극 포일(112)이 서로 이격되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 본실시 예의 배터리 셀(100)의 전지부(110) 이해를 돕기 위한 도시이며, 양극 포일(111), 세페레이터(113), 음극 포일(112)은 서로 밀착 구성된다.

전극탭(130, 140)은 일측이 케이스(120) 내부에 수용되어 전극 포일(111, 112)에 연결되고, 타측은 케이스(120) 외부로 노출된다. 케이스(120)는 중간층이 금속 호일이고, 금속 호일의 양면에 부착되는 내외피층이 절연성 필름으로 이루어진 파우치형 케이스이다.

열교환 포일(150)은 양극 포일(111)이 전지부(110) 외측으로 연장되어 형성된다. 열교환 포일(150)은 전극탭(130, 140)이 형성되는 케이스(120)의 둘레 측면에 대향되는 측면에 형성된다. 열교환 포일(150)은 양극 포일(111)과 일체로 형성될 수 있다. 열교환 포일(150)은 음극 포일(112)과의 전기적 접촉 예를 들면 단락을 예방하기 위해 활성 물질이 도포되지 않도록 구성된다.

따라서 양극 포일(111)은 양전극탭(130)과 전기적으로 연결되어 전기를 전달함과 동시에 전지부(110)의 열을 열교환 포일(150)을 통해 전달하거나 전달 받게 된다. 상기와 같은 구성에 의해 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배터리 셀(100)은 전지부(110)의 양극 포일(111)을 전기전달 수단뿐만 아니라 열전달 수단으로도 이용한다.

열교환 수단(160)은 양극 포일(111)로부터 열교환 포일(150)로 전달되는 열을 냉각 시키거나, 열교환 포일(150)을 통해 양극 포일(111)로 열을 전달하여 배터리 셀(100)을 예열시키기 위해 구성된다. 따라서 열교환 수단(160)은 열교환 포일(150)에 인접하여 구성되며, 열교환 포일(150)과의 면접촉을 통해 열교환한다. 열교환 수단(160)은 열교환 포일(150)과의 열교환을 위해 케이스(120)의 외면에 밀착된다. 즉 케이스(120)를 사이에 두고 열교환 포일(150)과 맞닿도록 구성된다. 열교환 수단(160)은 배터리 셀(100)의 일면, 타면 또는 일면과 타면에 각각 구비될 수 있다. 열교환 수단(160)은 열전도성 재질로 되며, 판상으로 이루어진다. 열교환 수단(160)은 케이스(120)의 길이방향을 따라 부착될 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나, 열교환 수단(160)의 끝단에는 열교환 효율을 높이기 위해 추가적인 통상의 공랭식 또는 수랭식 열교환 장치에 연결될 수 있다.

도면에는 도시하지 않았지만, 열교환 수단(160)은 열교환 효율을 더욱 높이기 위해 내부에 냉매가 유동되는 관상의 구조로 이루어질 수도 있다. 예를 들면 히트파이프로 구성될 수도 있다. 관상으로 되는 열교환 수단(160)은 열교환 포일(150)과의 열교환 면적을 넓이기 위해 단면이 트랙(Track) 또는 타원형으로 이루어질 수 있다. 열교환 수단(160)의 끝단에는 통상의 수랭식 열교환 장치에 연결될 수 있다.

상기와 같은 구성을 통해 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배터리 셀(100)은 케이스(120) 내부에 수용되는 전지부(110)의 열을 양극 포일(111), 열교환 포일(150) 및 열교환 수단(160)을 통해 효과적으로 예열 또는 냉각시키게 된다.

- 실시 예 2

도 1 내지 도 3 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀(200)은 전지부(210), 케이스(220), 전극탭(230, 240), 열교환 포일(250) 및 열교환 수단(260)을 포함하여 구성된다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀(200)은 상술된 제1 실시 예의 배터리 셀(100)과, 열교환 포일(250)의 구성을 제외한 나머지 구성은 동일한바 동일 한 구성은 상술된 설명으로 대신하며, 이하 열교환 포일(250)의 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.

열교환 포일(250)은 음극 포일(212)이 전지부(210) 외측으로 연장되어 형성된다. 열교환 포일(250)은 전극탭(230, 240)이 형성되는 케이스(220)의 둘레 측면에 대향되는 측면에 형성된다. 열교환 포일(250)은 음극 포일(212)과 일체로 형성될 수 있다. 열교환 포일(250)은 양극 포일(211)과의 전기적 접촉 예를 들면 단락을 예방하기 위해 활성 물질이 도포되지 않도록 구성된다.

따라서 음극 포일(212)은 음전극탭(240)과 전기적으로 연결되어 전기를 전달함과 동시에 전지부(210)의 열을 열교환 포일(250)을 통해 전달하거나 전달 받게 된다. 상기와 같은 구성에 의해 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀(200)은 전지부(210)의 음극 포일(212)을 전기전달 수단뿐만 아니라 열전달 수단으로도 이용한다.

음극 포일(212)은 구리로 이루지기 때문에 알루미늄 재질로 되는 양극 포일(111)로 열교환 포일(150)을 형성하는 상술된 제1 실시 예의 배터리 셀(100) 보다 열전달 효율이 더 높은 장점이 있다.

- 실시 예 3

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제 3실시 예에 따른 배터리 셀(300)은 전지부(310), 케이스(320), 전극탭(330, 340), 열교환 포일(350) 및 열교환 수단(360)을 포함하여 구성된다.

본 발명의 제3 실시 예에 따른 배터리 셀(300)은 본 발명의 제1 실시 예의 배터리 셀(100)과 그 구성이 동일하고, 열교환 포일(350)이 형성되는 위치만 차이가 있는바 동일 한 구성은 상술된 설명으로 대신하며, 이하 열교환 포일(350)에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 제3 실시 예에 따른 배터리 셀(300)은, 열교환 포일(350)을 포함한다. 열교환 포일(350)은 양극 포일 또는 음극 포일 중 어느 하나가 전지부(310) 외측으로 연장되어 형성된다. 열교환 포일(350)은 전극탭(330, 340)이 형성되는 케이스(320)의 측면과 이웃하는 측면 중 어느 한 측면에 형성된다. 열교환 포일(350)은 양극 포일 또는 음극 포일과 일체로 형성될 수 있다. 열교환 포일(350)은 다른 극성을 띠는 양극 포일 또는 음극 포일과의 전기적 접촉 예를 들면 단락을 예방하기 위해 활성 물질이 도포되지 않도록 구성된다.

상기와 같은 구성에 의해 본 발명의 제3 실시 예에 따른 배터리 셀(300)은 전지부(310)의 전극 포일을 전기전달 수단뿐만 아니라 열전달 수단으로도 이용한다. 특히, 본 발명의 제3 실시 예의 배터리 셀(300)은 전극탭(330, 340)의 대향측면에 열교환 포일(350)의 형성이 용이하지 않고 공간이 협소한 경우 상대적으로 공간 확보가 용이한 배터리 셀(300)의 측면에 열교환 포일(350)을 구성하여 배터리 셀(300)의 공간 확보가 용이한 장점이 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100, 200, 300 : 배터리 셀
110, 210, 310 : 전지부
120, 220, 320 : 케이스
130, 230, 330 : 양전극탭
140, 240, 340 : 음전극탭
150, 250, 350 : 열교환 포일
160, 260, 360 : 열교환 수단

Claims (7)

1. 전극 포일이 일정 간격으로 배치되며, 각각의 전극 포일 사이에 구비되는 세퍼레이터를 포함하는 전지부;
   상기 전지부가 수용되며, 둘레부를 따라 폐곡선을 이루는 밀폐면이 형성되는 케이스; 및
   일측이 상기 전극 포일과 전기적으로 연결되며, 타측이 상기 케이스의 외부로 노출되도록 형성되는 전극탭;
   상기 전극 포일에서 상기 전지부 외측으로 연장 형성되는 열교환 포일;
   상기 열교환 포일과 열교환을 위해 케이스 외측에 상기 열교환 포일과 맞닿도록 구비되는 열교환 수단;
   을 포함하는, 이차 전지용 배터리 셀.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환 포일은,
   상기 전극 포일에 일체로 형성되는, 이차 전지용 배터리 셀.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 전극 포일은, 양극 포일과, 음극 포일로 구성되며,
   상기 열교환 포일은, 상기 양극 포일과 음극 포일 중 어느 하나에 형성되는, 이차 전지용 배터리 셀.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환 포일은,
   상기 케이스 둘레면 상의 상기 전극탭이 구비되는 측을 제외한 적어도 하나 이상의 측면부에 형성되는, 이차 전지용 배터리 셀.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환 수단은, 열전도체로 이루어지는, 이차 전지용 배터리 셀.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 열교환 수단의 내부에는, 냉매가 유동되는, 이차 전지용 배터리 셀.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 열교환 수단은,
   내부에 냉매가 유동되는 히트파이프로 이루어지는, 이차 전지용 배터리 셀.

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