KR20150128024A - 각형 전지용 탑 플레이트 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

각형 전지용 탑 플레이트 및 이를 포함하는 전지팩

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KR20150128024A
KR20150128024A KR1020140054707A KR20140054707A KR20150128024A KR 20150128024 A KR20150128024 A KR 20150128024A KR 1020140054707 A KR1020140054707 A KR 1020140054707A KR 20140054707 A KR20140054707 A KR 20140054707A KR 20150128024 A KR20150128024 A KR 20150128024A
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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 내부에 장착하기 위하여 상단이 개방되어 있는 구조의 셀 케이스와, 상기 셀 케이스의 개방 상단에 결합되고 셀 케이스의 상단으로부터 내부 방향으로 함몰된 형태의 함몰형 수납부가 형성되어 있는 탑 플레이트(top plate)를 포함하고 있는 전지셀; 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결되는 보호회로 및 안전소자를 포함하고 있고 전지셀의 상단에 장착되는 PCM형(PCM-typed) 캡;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

각형 전지용 탑 플레이트 및 이를 포함하는 전지팩 {Top Plate For Plasmatic Battery And Battery Pack Comprising the Same}
본 발명은 각형 전지용 탑 플레이트 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목 받고 있다.
또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목 받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 어플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
그러나, 리튬 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 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 보호회로 모듈(PCM)이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.
PCM은 전류의 통전을 제어하는 스위칭 소자로서의 전계 효과 능동소자(FET; Field Effect Transistor)와, 전압 검출기, 저항, 축전기 등의 수동소자로 구성되어 있으며, 전지셀의 과충전, 과방전, 과전류, 단락, 역전압 등을 차단하여, 전지셀의 폭발이나 과열 또는 누액 및 충방전 특성의 악화를 방지하고, 전기적 성능의 저하와 물리화학적 이상거동을 억제함으로써, 위험 요소를 제거하고 사용수명을 연장시킨다.
일반적으로 PCM은 전도성 니켈 플레이트를 매개로 하여, 용접 또는 솔더링 방식으로 전지셀에 전기적으로 연결된다. 즉, PCM의 접속용 리드에 니켈 플레이트를 각각 용접 또는 솔더링하여 접속한 다음, 그러한 니켈 플레이트를 전지셀의 전극단자에 각각 용접 또는 솔더링하는 것으로 PCM을 전지셀에 연결하여 전지팩을 제조한다.
이 경우, 전지팩을 구성하기 위하여 다수의 용접 또는 솔더링이 요구되며, 이러한 용접 등은 이차전지의 작은 구조로 인해 매우 정밀한 작업으로 진행되어야 하므로, 그만큼 불량의 가능성이 높다. 더욱이, 제품의 제조공정 중에 이러한 작업의 추가로 인하여 제품단가가 상승하는 요인으로 작용한다.
한편, 최근에는 기판 상에 소자들을 장착하여 PCM을 제조하는 방법에 있어서, 전지팩의 전체적인 부피를 줄이기 위해 칩 온 보드(chip on board) 기술을 사용하여 두께가 매우 얇은 PCM을 제조한 후 전지팩 상단에 탑재하는 기술이 개발되었다. 그러나, 칩 온 보드 기술로 제조된 PCM은 종래기술에 의해 제조된 PCM에 비해 고가이므로, 전지팩의 제조비용을 상승시키는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 전지셀 상단에 탑재되는 절연성 장착부재 및 안전소자 등의 조립을 용이하게 하면서 동시에 종래기술에 의해 제조된 PCM을 탑재한 전지팩을 사용할 경우에도 전지팩의 부피를 전체적으로 증가시키지 않을 수 있도록, PCM이 탑재되는 전지팩 상단부의 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 다양한 기술들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 관련하여, 일 예로, 한국 특허출원공개 제2007-0097143호는 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 분리막이 적층되어 권취된 전극조립체, 상기 전극조립체가 수용되는 캔, 및 상기 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡 조립체를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전극조립체와 상기 캡 조립체 사이에 절연케이스가 설치되며, 상기 절연케이스에는 상기 캡 조립체의 하방 돌출부위를 적어도 일부 수용하는 제 1 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지를 개시하고 있다.
그러나, 상기 절연케이스에 형성된 제 1 홈은 절연케이스의 휨 변형을 방지하고, 캡 조립체와 절연케이스 사이의 불필요한 공간을 최소화 하기 위한 것으로서, 절연성 장착부재 및 안전소자 등의 조립을 용이하게 하거나, PCM의 소자들이 전부 도입될 수 있을 정도의 공간을 제공하지 못하는 구조이므로, 전지팩 상단의 공간을 효율적으로 활용하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 전지셀의 전극단자에 용접 또는 솔더링을 통하여 PCM 등의 안전소자를 연결해야 하므로, 전지팩 조립공정을 복잡하게 하는 문제점을 해결하지 못하고 있다.
따라서, 전지셀의 상단에 장착되는 부재의 수를 감소시켜 조립공정을 단순화할 수 있고, 비교적 두꺼운 보호회로 모듈 등의 안전소자를 전지팩 상단에 장착할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 상단이 개방되어 있는 구조의 셀 케이스와, 상기 셀 케이스의 개방 상단에 결합되고 셀 케이스의 상단으로부터 내부 방향으로 함몰된 형태의 함몰형 수납부가 형성되어 있는 탑 플레이트(top plate)를 포함하고 있는 전지셀 및 상기 전지셀에 전기적으로 연결되는 보호회로 및 안전소자를 포함하고 있으며 전지셀의 상단에 장착되는 PCM형(PCM-typed) 캡을 포함하는 전지팩을 개발하기에 이르렀고, 이러한 구조의 전지팩은 조립 공정을 크게 단순화시킬 수 있고, 향상된 결합 강도에 의해 우수한 구조적 안정성을 제공함과 동시에 전지팩 상단의 공간을 효율적으로 활용할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 전지팩 상단의 공간을 효율적으로 활용하면서, 전지셀, 전지셀 상단의 보호회로 모듈이 안정적인 결합할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 내부에 장착하기 위하여 상단이 개방되어 있는 구조의 셀 케이스와, 상기 셀 케이스의 개방 상단에 결합되고 셀 케이스의 상단으로부터 내부 방향으로 함몰된 형태의 함몰형 수납부가 형성되어 있는 탑 플레이트(top plate)를 포함하고 있는 전지셀; 및
상기 전지셀에 전기적으로 연결되는 보호회로 및 안전소자를 포함하고 있고 전지셀의 상단에 장착되는 PCM형(PCM-typed) 캡;
을 포함하는 구조로 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 전지팩은 셀 케이스의 상단에 결합되는 탑 플레이를 셀 케이스의 상단으로부터 내부 방향으로 함몰된 형태의 함몰형 수납부를 포함하도록 구성함으로써, 전지팩의 조립 공정을 크게 단순화시킬 수 있고, 전지셀 상단에 PCM형 캡을 결합하여 우수한 구조적 안정성을 제공함과 동시에 전지팩 상단의 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 셀 케이스는 금속 캔인 것이 바람직하며, 예를 들어, 다이 표면상의 소재판을 원주방향으로 압축하면서 펀치와 다이 사이에 이동시켜 측벽을 만드는 드로잉 가공(drawing work)에 의해 형성되는 각형 캔인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 셀 케이스 및 탑 플레이트는 가공상의 용이성과 일정 수준 이상의 기계적 강도를 고려할 때 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하나, 물론 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 젤리-롤(jelly-Roll)형 구조, 스택형 구조, 스택-폴딩형 구조, 및 라미네이션-스택형 구조를 들 수 있다.
구체적으로, 젤리-롤은 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조되어 수평 단면 상으로 타원형의 형상을 이룬다.
또한, 스택-폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
상기 전지팩은 셀 케이스에 전해액과 함께 전극조립체가 장착된 상태에서 탑 플레이트에 의해 밀봉되어 전지셀을 형성하고, 상기 탑 플레이트 상에 PCM형 캡이 결합되어 전지팩을 완성한다.
하나의 구체적인 예에서, 탑 플레이트에 형성된 함몰형 수납부의 깊이는 셀 케이스 전체 길이의 2 내지 20% 범위의 깊이로 형성될 수 있으며, 수직 단면 상으로 탑 플레이트의 외주면 상단에는 결합부가 돌출되어 있고, 셀 케이스의 상단에는 상기 결합부에 대응하는 결합 단차가 형성되어 있는 구조로 구성됨으로써, 탑 플레이트가 셀 케이스의 상단에 안정적으로 고정되는 구조로 구성될 수 있다.
또 하나의 구체적인 예에서, 상기 결합부와 결합 계면이 셀 케이스의 상단면으로 노출되는 형상으로 셀 케이스에 결합 단차가 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 셀 케이스의 상단에 탑 플레이트가 장착된 상태에서 결합 계면에 대해 용접을 수행하여 결합되는 구조일 수 있다.
이러한 구조들에 의해 탑 플레이트가 셀 케이스의 상단에 안정적으로 고정된 상태에서 용접을 수행하여 셀 케이스에 탑 플레이? 결합시킬 수 있으므로, 전지팩의 조립공정을 단순화 할 수 있다.
한편, 탑 플레이트에 형성된 함몰형 수납부에는 PCM형 캡이 장착되는 구조로 구성되어 있으며, 예를 들어, PCM형 캡의 적어도 일부가 탑 플레이트의 함몰형 수납부에 도입된 상태로 전지셀의 상단에 장착되는 구조일 수 있다.
PCM형 캡에 포함되는 보호회로 및 안전소자는, PCM형 캡의 하부에 위치하는 형태로 함몰형 수납부의 내면에 밀착되는 구조로 구성될 수 있으며, 이때, PCM형 캡은 절연성 기재에 보호회로 및 안전소자를 포함하는 기판이 일체화된 모듈화 구조를 가지는 구조인 것이 바람직하다.
또한, 수직 단면 상으로, PCM형 캡의 외주면 상단에는 셀 케이스의 상단면을 덮는 커버가 바깥쪽으로 연장되어 있는 구조로 구성됨으로써, 보호회로 및 안전소자가 함몰형 수납부에 도입된 형태로 PCM형 캡의 커버가 셀 케이스의 상단에 밀착되어 결합을 이룰 수 있다.
상기 전지셀의 상단부에 결합되는 PCM형 캡 이외에 하단부에도 별개의 절연성 캡(하단 캡)이 장착되는 구조일 수 있으며, 상기 전지셀의 케이스 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 구조일 수 있다. 이를 통해 외부 충격으로부터 전지셀을 보호하고 전기적 절연상태를 유지할 수 있다. 바람직하게는 상기 외장 필름은 PCM형 캡과 전지셀 케이스의 결합부위를 감싸는 구조로 부착될 수 있다.
이러한 전지셀은 하나의 예에서 리튬이온 전지 또는 리튬 이차전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않는다.
참고로, 리튬이차 전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 하나이상 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 셀 케이스의 상단에 결합되는 탑 플레이를 셀 케이스의 상단으로부터 내부 방향으로 함몰된 형태의 함몰형 수납부를 포함하도록 구성함으로써, 전지팩의 조립 공정을 크게 단순화시킬 수 있고, 전지셀 상단에 PCM형 캡을 결합하여 우수한 구조적 안정성을 제공함과 동시에 전지팩 상단의 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해 사시도이다;
도 2 는 도 1의 전지팩에서 탑 플레이트 부위의 수직 단면도이다;
도 3 은 도 1의 전지펙에서 PCM형 캡이 결합되는 부위의 수직 단면도 이다.
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 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩(100)은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(도 2참조)를 내부에 장착하기 위하여 상단이 개방되어 있는 구조의 셀 케이스(120)와, 셀 케이스(120)의 개방 상단에 결합되고 셀 케이스(120)의 상단으로부터 내부 방향으로 함몰된 형태의 함몰형 수납부(140)가 형성되어 있는 탑 플레이트(130)를 포함하고 있는 전지셀(110) 및 전지셀(110)에 전기적으로 연결되는 보호회로 및 안전소자를 포함하고 있고 전지셀의 상단에 장착되는 PCM형 캡(150)을 포함하도록 구성되어 있다.
탑 플레이트(130)에 형성되어 있는 함몰형 수납부(140)에는 상단 방향으로 돌출되어 있는 돌출형 전극단자(160)를 포함하고 있고, 돌출형 전극단자(160)가 전지셀(110)의 음극(도시하지 않음)과 전지적으로 연결되고, 돌출형 전극단자(160)를 제외한 함몰형 수납부(140)가 전지셀(110)의 양극(도시하지 않음)과 연결되어 있다.
함몰형 수납부(140)는 보호회로 및 안전소자를 포함하고 있는 PCM형 캡(150)의 일부가 도입될 수 있도록 소정의 깊이로 형성되어 있고, PCM형 캡(150)의 하단에는 전지셀(110)의 음극과 전기적으로 연결되어 있는 돌출형 전극단자(160) 및 전지셀(110)의 양극과 전기적으로 연결되어 있는 함몰형 수납부(140)의 일측에 기계적 체결에 의해 직접적으록 결합되거나 용접에 의해 결합되어 전기적으로 연결되기 위한 접속부재(도시하지 않음)를 포함하고 있다.
따라서, 보호회로 및 안전소자를 포함하는 PCM형 캡(150)의 하단 일부가 함몰형 수납부(140)에 도입된 상태로 전지셀(110) 상단에 결합되는 형태의 구조를 가짐으로써, PCM형 캡(150)을 전지셀(110) 상단에 안정적으로 고정할 수 있다. 또한, 추가적으로 절연부재 및 PCM을 감싸는 절연성 탑캡 등의 부재를 결합하는 공정을 생략할수 있으므로, 공정 효율성이 우수할 뿐만 아니라, 기존의 전지셀(110) 상단에 부가되는 다수의 부재 등의 장착을 위해 낭비되는 공간이 실질적으로 없으므로, 더욱 콤팩트한 전지팩(100)의 제조가 가능하다는 장점이 있다.
도 2에는 도 1의 전지팩에서 탑 플레이트 부위의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 탑 플레이트(130)는 셀 케이스(120)의 상단으로부터 내부 방향으로 함몰된 형태의 함몰형 수납부(140)가 형성되어 있고, 함몰형 수납부(140)는 보호회로 및 안전소자를 포함하고 있는 PCM형 캡(150)의 하단 일부가 도입된 상태로 전지셀(110)의 상단에 장착될 수 있도록 셀 케이스(120) 전체 길이의 10% 깊이(d)로 형성되어 있다.
탑 플레이트(130)는 셀 케이스(120)에 전해액과 함께 전극조립체(200)가 장착된 상태에서 셀 케이스(120)의 상단에 결합되게 되며, 수직 단면 상으로, 탑 플레이트(130)의 외주면 상단에는 결합부(171)가 돌출되어 있고, 셀 케이스(120)의 상단에는 탑 플레이트(130)의 결합부(171)에 대응하는 결합 단차(172)가 형성되어 있다.
이때, 결합 단차(172)는 셀 케이스(120) 및 결합부(171)와의 결합 계면이 셀 케이스(120)의 상단면으로 노출되는 형상으로 형성되며, 탑 플레이트(130)가 셀 케이스(120)의 상단에 고정된 상태에서 결합 계면에 대해 용접을 수행하여 전지셀(110)을 완성한다.
도 3에는 도 1의 전지펙에서 PCM형 캡이 결합되는 부위의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, PCM형 캡(150)은 탑 플레이트(130)에 형성된 함몰형 수납부(140)에 도입된 상태로 전지셀(110) 상단에 장착되기 위하여 보호회로 및 안전소자 등의 부재가 PCM형 캡(150)의 하단으로부터 전지셀(110)의 상단 방향으로 하향 돌출된 형태로 구성되게 되며, PCM형 캡(150)의 하부가 함몰형 수납부(140)의 내면에 밀착되는 구조로 탑 플레이트(130)의 상단에 장착된다.
이러한 결합구조를 위하여 PCM형 캡(150)은 절연성 기재에 보호회로 및 안전소자(도시하지 않음)를 포함하는 기판이 PCM형 캡(150)의 하부로 돌출되도록 일체화된 모듈화 구조를 가지며, 함몰형 수납부(140)에 도입되어 장착되므로 안정적으로 고정되는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 수직 단면 상으로, PCM형 캡(150)의 외주면 상단에는 셀 케이스(120)의 상단면을 덮는 커버가 바깥쪽으로 연장되어 있는 구조를 가지며, 커버의 단부(180)가 셀 케이스(120)의 상단면을 덮는 길이(L)로 연장되어 셀 케이스(120)의 외면과 일치하는 크기로 형성되고, 탑 플레이트(130)의 상단에 장착된 상태에서 기계적 체결에 의해 결합되어 전지팩(100)을 완성한다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 내부에 장착하기 위하여 상단이 개방되어 있는 구조의 셀 케이스와, 상기 셀 케이스의 개방 상단에 결합되고 셀 케이스의 상단으로부터 내부 방향으로 함몰된 형태의 함몰형 수납부가 형성되어 있는 탑 플레이트(top plate)를 포함하고 있는 전지셀; 및
    상기 전지셀에 전기적으로 연결되는 보호회로 및 안전소자를 포함하고 있고 전지셀의 상단에 장착되는 PCM형(PCM-typed) 캡;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 케이스는 금속 캔인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 캔은 각형 캔인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 케이스 및 탑 플레이트는 각각 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤(jelly-Roll)형 구조, 스택형 구조, 스택-폴딩형 구조, 및 라미네이션-스택형 구조 중의 하나인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 케이스에 전해액과 함께 전극조립체가 장착된 상태에서 탑 플레이트에 의해 밀봉되어 전지셀을 형성하고, 상기 탑 플레이트 상에 PCM형 캡이 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 함몰형 수납부의 깊이는 셀 케이스 전체 길이의 2 내지 20% 범위의 깊이인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 수직 단면 상으로 상기 탑 플레이트의 외주면 상단에는 결합부가 돌출되어 있고, 셀 케이스의 상단에는 상기 결합부에 대응하는 결합 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 결합부와의 결합 계면이 셀 케이스의 상단면으로 노출되는 형상으로 셀 케이스에 결합 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 결합 계면에 대해 용접을 수행하여 셀 케이스에 탑 플레이트를 결합하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM형 캡은 적어도 일부가 탑 플레이트의 함몰형 수납부에 도입된 상태로 전지셀의 상단에 장착되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 PCM형 캡의 하부는 함몰형 수납부의 내면에 밀착되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 11 항에 있어서, 수직 단면 상으로, 상기 PCM형 캡의 외주면 상단에는 셀 케이스의 상단면을 덮는 커버가 바깥쪽으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 커버의 연장 크기는 커버의 단부가 셀 케이스의 외면과 일치하는 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM형 캡은 절연성 기재에 보호회로 및 안전소자를 포함하는 기판이 일체화된 모듈화 구조를 가진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 하나 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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