KR20150046533A - 파우치형 이차 전지 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 조립체가 파우치 외장재의 내부 공간 형태에 대응되는 형태를 갖도록 함으로써 전극 조립체의 크기를 늘려 용량 및 출력이 향상될 수 있는 파우치형 이차 전지 및 이를 포함하는 배터리 팩을 개시한다. 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 각각 내부 공간이 형성된 상부 파우치와 하부 파우치를 구비하고, 상기 상부 파우치와 상기 하부 파우치의 외주부가 실링된 형태로 구성된 파우치 외장재; 및 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태로 상기 파우치 외장재의 내부 공간에 수납된 다수의 전극판과 상기 전극판으로부터 연장 형성된 전극 탭을 구비하되, 중앙부에 적층된 전극판 중 소정 전극판의 크기가 다른 전극판의 크기보다 크게 형성된 전극 조립체를 포함한다.

Description

파우치형 이차 전지 및 이를 포함하는 배터리 팩{Pouch type secondary battery and battery pack including the same}
본 발명은 이차 전지 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 조립체의 구조 개선으로 에너지 밀도가 향상된 파우치형 이차 전지와 이를 포함한 배터리 팩 및 그 적용 장치에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다. 이러한 이차 전지는 대체로 전극 조립체가 외장재에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 외장재가 실링되는 과정을 통해 제조된다.
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이며, 도 2는 도 1의 파우치형 이차 전지의 결합 사시도이다. 또한, 도 3은 도 2의 A-A'선에 대한 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 파우치형 이차 전지는, 전극 조립체(10)와 이러한 전극 조립체(10)를 수용하는 파우치 외장재(20)로 이루어지는 것이 일반적이다.
여기서, 전극 조립체(10)는, 전극판, 즉 양극판과 음극판을 구비하며, 이러한 양극판과 음극판 사이에는 세퍼레이터가 개재될 수 있다. 다만 도면에서는 설명의 편의를 위해 세퍼레이터는 표시되어 있지 않다.
그리고, 양극판과 음극판에는, 각각 하나 이상의 전극 탭(11), 즉 양극 탭과 음극 탭이 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 양극 탭과 음극 탭은 각각 전극 리드(12), 즉 양극 리드 및 음극 리드와 결합되며, 양극 리드와 음극 리드의 일부는 파우치 외장재(20)의 외부로 노출됨으로써 이차 전지의 외부 구성, 이를테면 다른 이차 전지나 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있도록 전극 단자를 제공한다.
특히 파우치형 이차 전지에 있어서, 전극 조립체(10)는, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 스택형으로 구성될 수 있다. 여기서, 스택형 전극 조립체는 다수의 양극판과 음극판을 구비하고, 이러한 다수의 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층되는 구조의 전극 조립체를 의미한다.
파우치 외장재(20)는, 상부 파우치(21)와 하부 파우치(22)로 구성될 수 있으며, 이러한 상부 파우치(21)와 하부 파우치(22)로 형성된 내부 공간에 전극 조립체(10) 및 전해액이 수용된다. 그리고, 상부 파우치(21)와 하부 파우치(22)는, 내부 공간을 밀폐시키기 위해 외주면에 실링부(S)가 형성되고, 이러한 실링부(S)가 서로 접착(실링)된다.
이러한 파우치 외장재(20)는, 전극 조립체(10)와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체(10)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성된다. 그리고, 이러한 알루미늄 박막은 전극 조립체(10) 및 전해액과 같은 이차 전지 내부의 구성요소나 이차 전지 외부의 다른 구성요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층 사이에 개재된다.
최근에는, 이와 같은 파우치형 이차 전지의 적용 범위가 확대되면서, 스마트폰을 비롯한 소형 휴대 장치는 물론, 하이브리드 자동차를 포함한 전기 자동차나 전력 저장 장치와 같은 중대형 장치에도 파우치형 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 그리고, 이와 같이 적용 범위가 확대됨과 더불어, 이차 전지에 대한 성능 향상이 더욱 절실히 요구되고 있다. 대표적으로, 크기는 작으면서도 그 용량이나 출력은 향상된, 에너지 밀도가 높은 이차 전지에 대한 요구가 많다. 하지만, 종래의 파우치형 이차 전지는 이러한 에너지 밀도 측면에서 최적화된 형태의 이차 전지라 볼 수 없다는 점에서 문제가 있다.
특히, 파우치형 이차 전지에 사용되는 파우치 외장재는, 도 3에 도시된 바와 같이, 일반적으로 단면 형태가 대략 육각형 모양을 갖고, 전극 조립체는, 일반적으로 단면 형태가 대략 사각형 모양을 갖는다. 그런데, 이로 인해 도 3에서 B로 표시된 바와 같이, 파우치 외장재의 외주부, 즉 실링부 부근에서 전극 조립체가 존재하지 않는 빈 공간이 데드 스페이스로서 형성될 수 있다. 물론, 파우치 외장재의 포밍 시, 도 3에서 C로 표시된 바와 같은 각도를 직각에 가깝게 줄이는 경우 이러한 데드 스페이스는 감소되도록 할 수 있을 것이나, 이 경우 파우치 외장재에 백화 현상이나 크랙 생성과 같은 손상의 문제가 발생할 수 있다.
그러므로, 종래 이차 전지의 경우, 이러한 데드 스페이스로 인해 에너지 밀도의 향상에 제한이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전극 조립체가 파우치 외장재의 내부 공간 형태에 대응되는 형태를 갖도록 함으로써 전극 조립체의 크기를 늘려 용량 및 출력이 향상될 수 있는 파우치형 이차 전지 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지는, 파우치형 이차 전지로서, 각각 내부 공간이 형성된 상부 파우치와 하부 파우치를 구비하고, 상기 상부 파우치와 상기 하부 파우치의 외주부가 실링된 형태로 구성된 파우치 외장재; 및 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태로 상기 파우치 외장재의 내부 공간에 수납된 다수의 전극판과 상기 전극판으로부터 연장 형성된 전극 탭을 구비하되, 중앙부에 적층된 전극판 중 소정 전극판의 크기가 다른 전극판의 크기보다 크게 형성된 전극 조립체를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전극 조립체는, 상부 파우치와 하부 파우치의 실링부가 위치하는 층에 적층된 전극판의 크기가 가장 크게 형성된다.
또한 바람직하게는, 상기 전극 조립체는, 중심층에 위치한 전극판의 크기가 가장 크게 형성된다.
또한 바람직하게는, 상기 전극 조립체는, 외부층에서 중심층으로 갈수록 상기 전극판의 크기가 점차 증가하도록 구성된다.
또한 바람직하게는, 상기 전극 탭은, 상기 전극판과 대면하는 내측 표면의 적어도 일부에 절연 부재를 구비한다.
또한 바람직하게는, 상기 전극 탭 중 적어도 일부는, 상기 파우치 외장재의 내부 공간 벽면에 부착된다.
또한 바람직하게는, 상기 파우치 외장재는 4개의 외주부가 실링되고, 상기 전극 조립체는 다른 전극판의 크기보다 크게 형성된 전극판이 상기 파우치 외장재의 4개의 외주부 방향으로 모두 돌출되게 형성된다.
또한 바람직하게는, 상기 전극 조립체는, 전극 탭이 구비된 측면에서 전극판과 파우치 외장재의 내벽까지의 평균 거리가 전극 탭이 구비되지 않은 측면에서 전극판과 파우치 외장재의 내벽까지의 평균 거리보다 작게 형성된다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 파우치형 이차 전지를 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 상술한 파우치형 이차 전지를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 파우치형 이차 전지에 있어서, 전극 조립체가 파우치 외장재의 내부 공간에 대응되는 형태를 가짐으로써, 파우치 외장재에서 전극 조립체가 존재하지 않는 공간(데드 스페이스)을 줄이고, 전극 조립체의 크기를 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 외형적으로는 동일한 크기를 갖는다 하더라도, 내부에 수납된 전극 조립체의 크기를 증가시킬 수 있으므로, 결국 용량 및 출력이 향상된 파우치형 이차 전지가 제공될 수 있다.
특히, 중대형 배터리 팩의 경우, 파우치형 이차 전지를 다수 개 포함하므로, 하나의 파우치형 이차 전지에 대한 데드 스페이스 감소 및 전극 조립체 크기 증가는 중대형 배터리 팩 전체적으로 볼 때, 매우 큰 용량 및 출력 증가를 가져올 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 다양한 형태로 구성된 파우치형 이차 전지에 대해서도 성능 향상이 가능하다.
뿐만 아니라, 파우치 외장재의 제조 시, 도 3에서 C로 표시된 각도를 줄이지 않고도 출력 및 용량 향상이 가능하므로, 해당 각도(C)를 줄임으로 인해 파우치 외장재가 손상되거나 백화 현상이 생기는 등의 문제가 발생할 우려가 없다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는, 도 1의 파우치형 이차 전지의 결합 사시도이다.
도 3은, 도 2의 A-A'선에 대한 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 분해 사시도이다.
도 5는, 도 4의 결합 사시도이다.
도 6은, 도 5의 D1-D1'선에 대한 단면도의 일 형태이다.
도 7은, 도 5의 D2-D2'선에 대한 단면도의 일 형태이다.
도 8은, 도 7의 G 부분에 대한 확대도이다.
도 9는, 도 5의 D2-D2'선에 단면도의 다른 형태이다.
도 10은, 도 9의 H1 부분에 대한 확대 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 결합 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 파우치 외장재(200) 및 전극 조립체(100)를 포함한다.
상기 파우치 외장재(200)는, 오목한 형태의 내부 공간을 구비하며, 이러한 내부 공간에 전극 조립체(100) 및 전해액을 수납할 수 있다.
특히, 파우치 외장재(200)는, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)로 구성될 수 있으며, 이 경우 오목한 형태의 내부 공간은, 도면에 도시된 바와 같이, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220) 모두에 형성될 수 있다.
또한, 파우치 외장재(200)는 이러한 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)의 외주부가 실링된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)는 각각 내부 공간의 테두리에 실링부를 구비하며, 이러한 실링부가 열융착 등의 방식으로 실링됨으로써, 파우치 외장재(200)의 내부 공간이 밀폐되도록 할 수 있다.
상기 전극 조립체(100)는, 다수의 전극판 및 전극 탭(110)을 구비하여 파우치 외장재(200)의 내부 공간에 수납된다. 여기서, 전극판은 양극판과 음극판으로 구성되며, 전극 조립체(100)는 이러한 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 넓은 면이 서로 마주보는 형태가 되도록 적층된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 전극 조립체(100)는, 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 형태로 구성될 수 있으며, 양극판과 음극판은 서로 소정 거리 이격되게 배치된다.
양극판과 음극판은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.
이러한 양극판과 음극판은 각각, 활물질이 도포되지 않은 무지부에 양극 탭과 음극 탭이 구비될 수 있다. 전극 탭(110)은 전극판으로부터 돌출된 형태로 연장 형성되며, 전극판이 절취된 형태 또는 전극판에 그와 동일하거나 다른 재질의 금속판이 부착된 형태 등으로 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 양극 탭과 음극 탭은 각각 양극 리드와 음극 리드에 연결되어, 파우치 외장재(200) 외부로 노출될 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 이차 전지에 있어서, 상기 전극 조립체(100)는, 다수의 양극판과 다수의 음극판이 상하 방향으로 적층된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 다수의 양극판과 다수의 음극판에는 각각 전극 탭(110)이 구비되어, 서로 동일한 극성끼리 접촉하여 동일한 전극 리드(120)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(100)에 포함된 다수의 양극판으로부터 각각 양극탭이 돌출되게 형성되어 다수의 양극 탭이 서로 접촉된 상태로 양극 리드에 연결될 수 있다. 이때, 다수의 전극 탭(110) 간 연결 및/또는 전극 탭(110)과 전극 리드(120) 간 연결은 용접 등의 방식으로 수행될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는, 중앙부에 적층된 전극판 중 소정 전극판의 크기가 다른 전극판의 크기보다 크게 형성된다. 여기서, 중앙부에 적층된 전극판이란, 최외곽에 위치한 전극판이 아닌, 내부층에 위치한 전극판을 의미한다. 이를테면, 전극판이 상하 방향으로 적층되는 구성에서, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는, 최외곽에 위치한 최상부층 전극판과 최하부층 전극판 이외의 전극판, 즉 최상부층 전극판과 최하부층 전극판 사이에 위치하는 전극판 중 적어도 일부의 전극판이 가장 크게 형성될 수 있다.
이러한 구성에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 6은, 도 5의 D1-D1'선에 대한 단면도의 일 형태이다. 다만, 도 6에서는 설명의 편의를 위해 10개의 전극판(101)이 적층된 형태로 도시되어 있으며, 세퍼레이터는 도시되어 있지 않다.
도 6에 도시된 바를 참조하면, 전극 조립체(100)는 다수의 전극판(101)이 상하 방향으로 적층된 형태로 구성될 수 있으며, 전극 조립체(100)를 구성하는 각각의 전극판(101)에 대하여, 상부에서 하부 방향으로 e1 내지 e10 전극판이라 하도록 한다. 이때, 최외곽에 위치하는 전극판(101)은 최상부층에 위치한 전극판 e1과 최하부층에 위치한 전극판 e10이라 할 수 있다. 그리고, 중앙부에 적층된 전극판(101)이란 e1 및 e10을 제외한 나머지 전극판, 즉 e2 내지 e8이라 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는, e2 내지 e8 전극판 중 어느 하나 이상의 전극판이 다른 전극판의 크기보다 크게 형성되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 중앙부에 적층된 전극판 중 e5 전극판과 e6 전극판이 가장 크게 형성될 수 있다. 한편, 전극판의 크기란, 도 6에서 좌우 방향 길이와 같이 전극판의 면적을 결정짓는 변의 길이를 의미한다고 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전극 조립체(100)는, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)의 실링부가 위치하는 층에 적층된 전극판(101)의 크기가 가장 크게 형성되는 것이 좋다. 예를 들어, 도 6의 실시예에서, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)의 실링부는 e5 전극판과 e6 전극판에 위치한다고 할 수 있는데, 이 경우, e5 전극판과 e6 전극판의 크기가 가장 크게 형성될 수 있다. 파우치형 이차 전지의 경우, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)의 실링부가 위치하는 부분에 있어서 내부 공간의 좌우 폭이 가장 크게 형성되는 경우가 많다. 따라서, 상기 실시예와 같이, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)의 실링부가 위치하는 층에 적층된 전극판의 크기가 가장 크게 구성되는 경우, 데드 스페이스를 보다 효과적으로 줄이고, 전극판의 크기를 최대화할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 전극 조립체(100)는, 중심층에 위치한 전극판(101)의 크기가 가장 크게 형성될 수 있다. 파우치 외장재(200)를 구성하는 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)는 서로 대칭되는 형태로 형성되는 경우가 많으므로, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)의 실링부는 상하 방향으로 중심되는 부분에서 실링되는 경우가 많다. 따라서, 상기 실시예와 같이 중심층에 위치한 전극판(101)의 크기를 가장 크게 하는 경우, 실링부가 위치하는 층에 적층된 전극판(101)의 크기를 가장 크게 하는 것이 되어, 전극판(101)의 크기를 최대로 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 도 6의 실시예에서, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)는 내부 공간의 높이가 서로 동일하게 형성되며, 이때 적층 방향으로 중심층에 위치한 e5 전극판과 e6 전극판을 가장 크게 구성하면, 실링부가 위치하는 층에 적층된 전극판의 크기를 가장 크게 하는 것일 수 있다.
한편, 도 6의 실시예에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(100)는, 2개의 전극판이 서로 동일한 크기로서 가장 크게 형성될 수 있으나, 1개의 전극판이 가장 큰 크기를 갖거나 3개 이상의 전극판이 가장 큰 크기를 가지도록 구성될 수 있음은 물론이다.
또한 바람직하게는, 상기 전극 조립체(100)는, 외부층에서 중심층으로 갈수록 전극판의 크기가 점차 증가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 실시예에서, 상부에 위치하는 전극판 e1 내지 e5의 경우, 외부층에 위치한 전극판에서 중심층으로 갈수록 크기가 점차 증가하도록 구성되어, 크기의 관점에서 e1 < e2 < e3 < e4 < e5의 관계가 형성되도록 전극 조립체(100)가 구성될 수 있다. 또한, 하부에 위치하는 전극판 e6 내지 e10의 경우에도, 외부층에 위치한 전극판에서 중심층으로 갈수록 크기가 점차 증가하도록 구성되어, 크기의 관점에서 e10 < e9 < e8 < e7 < e6의 관계가 형성되도록 전극 조립체(100)가 구성될 수 있다.
파우치 외장재(200)는, 상하부의 평평한 부분과 실링부 사이의 부분(도 6에서 F로 표시)이 지면과 수직 방향이 아닌 다소 기울어진 형태로 형성되는 경우가 많다. 이는 파우치 외장재(200)의 F 부분을 수직에 가깝도록 구성하면 이로 인해 파우치 외장재(200)의 절곡 부분에 백화 현상이 발생하고 해당 부분이 손상될 수 있기 때문에, 이러한 문제점을 방지하기 위해서는 불가피한 구성이라 할 수 있다. 그런데, 상기 실시예와 같이 외부층에서 중심층으로 갈수록 전극판의 크기를 점차 증가하도록 구성하면, 전극 조립체(100)가 파우치 외장재(200)의 F 부분에 있어서 기울어진 형태에 대응되는 형태를 가질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 전극 조립체(100)의 크기를 최대한 증가시켜 이차 전지의 용량 및 출력을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 도 6의 실시예에서, e1 내지 e10 전극판은 각각 하나의 양극판 또는 하나의 음극판을 나타내는 것일 수 있다. 예를 들어, e1, e3, e5, e7 및 e9 전극판은 양극판이고, e2, e4, e6, e8 및 e10 전극판은 음극판일 수 있다.
또는, 상기 도 6의 실시예에서, e1 내지 e10 전극판은 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 결합된 구성일 수 있다. 예를 들어, e1 내지 e10 전극판은 각각, 양극판, 세퍼레이터, 음극판 및 세퍼레이터가 순차적으로 적층된 조립체일 수 있다. 또 다른 예로, e1, e3, e5, e7 및 e9 전극판은 양극판, 세퍼레이터, 음극판, 세퍼레이터, 양극판 및 세퍼레이터가 순차적으로 적층된 조립체이고, e2, e4, e6, e8 및 e10 전극판은 음극판, 세퍼레이터, 양극판, 세퍼레이터, 음극판 및 세퍼레이터가 순차적으로 적층된 조립체일 수 있다.
바람직하게는, 상기 전극 조립체(100)에 있어서, 전극 탭(110)은 절연 부재를 구비할 수 있다. 이에 대해서는 도 7 및 도 8을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 7은 도 5의 D2-D2'선에 대한 단면도의 일 형태이고, 도 8은 도 7의 G 부분에 대한 확대도이다. 도 7에서도, 도 6과 마찬가지로, 전극 조립체(100)는 10개의 전극판이 적층된 형태로 구성된 것으로 가정한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 전극 조립체(100)에 적층된 형태로 포함된 다수의 전극판은 각각 전극 탭(110)이 연장 형성될 수 있다. 이때, 전극 탭(110)은, 전극판과 대면하는 내측 표면의 적어도 일부에 절연 부재가 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 7 및 도 8의 실시예에서, 전극 탭 t1의 경우, 전극판의 우측 방향으로 돌출되게 연장 형성되므로, 좌측부가 전극판과 대면하게 된다. 따라서, 이러한 t1 전극 탭은, 전극판과 대면하는 좌측 표면의 적어도 일부에 절연 부재가 구비될 수 있다.
이러한 절연 부재는, 전기적 절연성을 갖는 물질로 형성되며, 이로 인해 전극 탭(110)이 전극판에 물리적으로 접촉되더라도 전기적으로 연결되는 것을 방지한다. 특히, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 중앙부에 적층된 전극판이 다른 전극판보다 크게 형성되므로, 이러한 전극판의 크기 증가만큼 전극 탭(110)과 전극판이 접촉될 가능성이 증가한다. 그런데, 만일, 서로 다른 극성의 전극 탭(110)과 전극판이 접촉하는 경우, 이를테면 양극판으로부터 연장 형성된 양극탭이 음극판과 접촉하는 경우, 내부적으로 단락이 발생하게 되므로, 이차 전지의 발화나 폭발이 일어나는 등 이차 전지의 안전성이 크게 저하될 수 있다. 그러나, 상기 실시예와 같이, 전극 탭(110)에 있어서, 적어도 전극판과 대면하는 내측 표면에 절연 부재가 구비되도록 하면, 이러한 절연 부재로 인해 서로 다른 극성의 전극 탭(110)과 전극판이 서로 전기적으로 연결될 염려가 없다. 그러므로, 이러한 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지의 안전성이 확보될 수 있다.
여기서, 상기 절연 부재는, 전극 탭(110)의 적어도 일면에 코팅된 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 8의 실시예에서, 전극 탭 t1은 전극판과 대면하는 좌측 표면의 적어도 일부가 절연 물질로 코팅된 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 전극 탭(110)은, 알루미늄이나 구리, 니켈 등의 금속 재질로 이루어진 금속 기재층(111)과 절연 물질로 이루어진 절연 코팅층(112)을 포함한다고 할 수 있다.
한편, 절연 부재의 전극 탭(110) 코팅은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 이를테면, 절연 부재는 전극 탭(110)을 구성하는 금속판의 적어도 일 표면에 절연 물질을 스프레이하거나, 절연 물질로 이루어진 용액에 금속판을 침지시키는 등의 방식으로 코팅될 수 있다.
이러한 코팅 형태 이외에도, 상기 절연 부재는 다른 다양한 형태로 상기 전극 탭(110)의 표면에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연 부재는 절연성 재질로 구성된 접착 테이프 형태로 구성되어, 상기 전극 탭(110)의 적어도 일면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 구성에서 전극 탭 t1의 좌측 표면 중 적어도 일부에 절연성 접착 테이프가 접착될 수 있다. 이러한 구성의 경우, 전극 탭 제조 공정 이후에 전극 탭(110)의 표면에 절연성을 부여할 수 있다는 점에서 장점을 가질 수 있다.
한편, 상기 도 7 및 도 8과 관련된 설명에서는, 다수의 전극 탭(110) 중 하나의 전극 탭(110)인 전극 탭 t1을 위주로 절연 부재가 구비된 구성이 설명되었으나, 나머지 다른 전극 탭(110)에도 절연 부재가 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 7을 기준으로, 전극 조립체(100)의 좌측 방향으로 돌출된 전극 탭(110)의 경우 전극판과 대면하는 우측 표면에 절연 부재가 구비될 수 있고, 전극 조립체(100)의 우측 방향으로 돌출된 전극 탭(110)의 경우 전극판과 대면하는 좌측 표면에 절연 부재가 구비될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 전극 탭(110) 중 적어도 일부는 파우치 외장재(200)의 내부 공간 벽면에 부착되도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는 도 9 및 도 10을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 9는 도 5의 D2-D2'선에 단면도의 다른 형태이고, 도 10은 도 9의 H1 부분에 대한 확대 사시도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 전극판으로부터 연장 형성된 전극 탭(110) 중 일부 또는 전부는, 파우치 외장재(200)의 내부 공간 벽면, 다시 말해 내벽에 부착되게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(100)에 10개의 전극 탭(110)이 구비된 경우, 4개의 전극 탭(110)이 도면에서 H1, H2, H3 및 H4로 표시된 바와 같은 부분에서 파우치 외장재(200)의 내벽에 부착되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전극 탭(110)이 파우치 외장재(200)의 내벽에 부착되게 구성되므로, 전극 탭(110)이 전극판과 접촉할 가능성이 크게 줄어든다. 따라서, 전극 탭(110)이 전극판과 전극 리드(120) 사이의 구간에서 다른 극성의 전극판에 접촉함으로써 내부 단락이 발생하는 위험성이 감소될 수 있다.
한편, 상기 실시예와 같이, 다수의 전극 탭(110) 중 일부 전극 탭(110)이 파우치 외장재(200)의 내벽에 부착되도록 하는 구성에 있어서는, 상대적으로 긴 전극 탭(110)이 파우치 외장재(200)의 내벽에 부착되도록 하는 것이 좋다. 예를 들어, 도 9의 실시예에서, 상대적으로 외부층에 적층된 4개의 전극판에서 연장 형성된 전극 탭(110)에 대하여, 파우치 외장재(200)의 내벽에 부착되도록 할 수 있다. 이는, 상대적으로 길게 연장 형성된 전극 탭(110)이 전극판과 접촉할 확률이 상대적으로 높기 때문이다.
더욱 바람직하게는, 전극 탭(110)은 접착 테이프(113)에 의해 파우치 외장재(200)의 내부 공간 벽면에 부착될 수 있다. 즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 전극 탭(110)은 파우치 외장재(200)의 내벽에 접촉된 상태에서 접착 테이프(113)가 전극 탭(110) 외면과 파우치 외장재(200)의 내벽에 접착됨으로써 전극 탭(110)이 파우치 외장재(200)의 내벽에 부착될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 전극 탭(110)을 파우치 외장재(200)의 내벽에 부착하는 구성이 용이하게 달성될 수 있으며, 부착 상태가 안정적으로 유지될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지에 있어서, 상기 파우치 외장재(200)는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 4개의 외주부가 실링되도록 구성될 수 있다. 즉, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)는, 상부에서 하부 방향으로 바라볼 때 사각형 형태로 형성되어 4개의 변을 구비할 수 있고, 이러한 4개의 변은 오목한 형태의 내부 공간 주변에서 외주부가 될 수 있다. 이때, 상부 파우치(210)와 하부 파우치(220)는 4개의 외주부 모두 실링되도록 구성될 수 있다.
이때, 전극 조립체(100)는 다른 전극판의 크기보다 크게 형성된 전극판이 파우치 외장재(200)의 4개의 외주부 방향으로 모두 돌출되게 형성될 수 있다. 즉, 전극 조립체(100)의 전극판은, 수직 방향으로 일직선이 되게 형성되는 것이 아니고, 가장 큰 크기로 형성된 전극판이 4개의 변 모두 다른 전극판보다 돌출되게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7의 실시예를 참조하면, e5 전극판 및 e6 전극판이 다른 전극판보다 큰 크기로 형성되는데, 이러한 e5 전극판 및 e6 전극판은 상부에서 바라보았을 때 4개의 변 방향 모두 다른 전극판보다 돌출되게 구성될 수 있다.
파우치 외장재(200)가 4개의 외주부 모두 실링되는 경우에는, 4개의 외주부 부근에 도 6의 F로 표시된 부분과 같은 경사진 부분이 형성될 수 있는데, 상기 실시예와 같이 중앙부에 적층된 소정 전극판이 4개의 변 모두 돌출되도록 구성하면 파우치 외장재(200)의 이러한 경사진 부분 모두에서 전극판의 크기를 증가시킬 수 있으므로, 에너지 밀도 향상에 바람직할 수 있다.
다만, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 전극 조립체(100)는 4개의 변 중 하나 이상의 변이 수직 방향으로 일직선이 되는 형태로 구성될 수도 있다.
한편, 전극 조립체(100)는, 전극 탭(110)이 구비된 측면에서 전극판과 파우치 외장재(200)의 내벽까지의 평균 거리가 전극 탭(110)이 구비되지 않은 측면에서 전극판과 파우치 외장재(200)의 내벽까지의 평균 거리보다 작게 형성되는 것이 좋다. 예를 들어, 전극 조립체(100)는, 도 6에 도시된 바와 같이 전극 탭(110)이 구비되지 않은 부분에서는 전극판과 내벽 사이의 거리가 작게 형성되고, 도 7에 도시된 바와 같이 전극 탭(110)이 구비된 부분에서는 전극판과 내벽 사이의 거리가 상대적으로 멀게 형성되는 것이 좋다. 이러한 실시예에 의하면, 전극 탭(110)과 전극판 사이의 접촉 위험성을 낮추어, 전극 탭(110)과 전극판이 도통되어 내부 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 파우치형 이차 전지를 포함할 수 있다. 이때, 배터리 팩은, 상기 파우치형 이차 전지를 하나 또는 그 이상 포함할 수 있으며, 이러한 이차 전지 이외에도, BMS(Battery Management System)와 같은 이차 전지의 충방전을 제어하기 위한 여러 보호 장치들을 포함할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차와 같이 배터리로 구동되는 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 상술한 파우치형 이차 전지를 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 전극 조립체
110: 전극 탭
120: 전극 리드
200: 파우치 외장재
210: 상부 파우치
220: 하부 파우치

Claims (12)

  1. 각각 내부 공간이 형성된 상부 파우치와 하부 파우치를 구비하고, 상기 상부 파우치와 상기 하부 파우치의 외주부가 실링된 형태로 구성된 파우치 외장재; 및
    세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태로 상기 파우치 외장재의 내부 공간에 수납된 다수의 전극판과 상기 전극판으로부터 연장 형성된 전극 탭을 구비하되, 중앙부에 적층된 전극판 중 소정 전극판의 크기가 다른 전극판의 크기보다 크게 형성된 전극 조립체
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는, 상부 파우치와 하부 파우치의 실링부가 위치하는 층에 적층된 전극판의 크기가 가장 크게 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는, 중심층에 위치한 전극판의 크기가 가장 크게 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는, 외부층에서 중심층으로 갈수록 상기 전극판의 크기가 점차 증가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 탭은, 상기 전극판과 대면하는 내측 표면의 적어도 일부에 절연 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연 부재는, 상기 전극 탭의 일면에 코팅된 형태로 구비된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 탭 중 적어도 일부는, 상기 파우치 외장재의 내부 공간 벽면에 부착된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극 탭은, 접착 테이프에 의해 상기 파우치 외장재의 내부 공간 벽면에 부착된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 파우치 외장재는 4개의 외주부가 실링되고,
    상기 전극 조립체는 다른 전극판의 크기보다 크게 형성된 전극판이 상기 파우치 외장재의 4개의 외주부 방향으로 모두 돌출되게 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는, 전극 탭이 구비된 측면에서 전극판과 파우치 외장재의 내벽까지의 평균 거리가 전극 탭이 구비되지 않은 측면에서 전극판과 파우치 외장재의 내벽까지의 평균 거리보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 파우치형 이차 전지를 포함하는 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 파우치형 이차 전지를 포함하는 자동차.
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