KR20150134304A - 라운드 코너를 포함하는 전지셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막 구조의 전극조립체가 내장된 전지셀로서, 일 단위의 전지케이스가 절곡되어 상부 케이스 및 하부 케이스를 형성하고 있고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중의 적어도 하나에는, 상기 전극조립체가 수납되고 하나 이상의 측면 모서리에 라운드 코너가 형성되어 있는, 수납부가 형성되어 있으며, 상기 전지케이스의 변들(sides) 중에서, 전극단자들 중의 적어도 하나가 위치한 상변(upper side), 상기 상변에 인접한 제 1 측변(lateral side), 및 상기 상변에 대향한 하변(lower side)에, 상부 케이스와 하부 케이스의 열융착에 의한 실링부들이 위치하고, 상기 상변에 인접한 제 2 측변은 전지케이스의 절곡 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막 구조의 전극조립체가 내장된 전지셀로서, 일 단위의 전지케이스가 절곡되어 상부 케이스 및 하부 케이스를 형성하고 있고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중의 적어도 하나에는, 상기 전극조립체가 수납되고 하나 이상의 측면 모서리에 라운드 코너가 형성되어 있는, 수납부가 형성되어 있으며, 상기 전지케이스의 변들(sides) 중에서, 전극단자들 중의 적어도 하나가 위치한 상변(upper side), 상기 상변에 인접한 제 1 측변(lateral side), 및 상기 상변에 대향한 하변(lower side)에, 상부 케이스와 하부 케이스의 열융착에 의한 실링부들이 위치하고, 상기 상변에 인접한 제 2 측변은 전지케이스의 절곡 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀에 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.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 전지는 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 밀봉되어 있는 전지를 말한다. 전지케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 복합형(스택/폴딩형)의 구조로 이루어져 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 파우치형 전지케이스(20)의 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 고체 전해질 코팅 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(40, 41)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일체로서 연결되어 있는 커버(22)로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 최외각을 이루는 외측 수지층(20a), 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층(20b), 및 밀봉을 위한 내측 수지층(20c)으로 구성되어 있다.
스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 각각 융착되어 전극리드(40, 41)에 함께 결합되어 있다. 또한, 케이스 본체(21)의 상단부(24)와 커버(22)의 상단부가 열융착기(도시하지 않음)에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극리드(40, 41) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극리드(40, 41)와 전지케이스(20)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극리드(40, 41)의 상하면에 절연필름(50)이 부착된다.
그러나, 최근에는 슬림한 타입 또는 다양한 디자인 트랜드로 인하여 새로운 형태의 전지셀이 요구되고 있는 실정이다.
또한, 상기와 같은 전지셀들은 동일한 크기 또는 용량의 전극조립체를 포함하는 것으로 구성되어 있으므로, 전지셀이 적용되는 디바이스의 디자인을 고려하여 신규한 구조로 만들기 위해서는, 전지셀의 용량을 줄이거나 더 큰 크기로 디바이스의 디자인을 변경해야 하는 문제점이 있다.
또한, 이러한 디자인 변경 과정에서 전기적 연결 방식이 복잡해짐으로 인해 소망하는 조건을 만족하는 전지셀의 제작이 어려워지는 문제점도 있다.
더욱이, 전극조립체의 형상에 따라 전지케이스를 제작하여야 하는 문제점도 존재한다.
따라서, 전지셀이 적용되는 디바이스의 모양에 따라 적용 가능한 전극조립체, 전지케이스 및 이를 포함하는 전지셀에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀을 디바이스의 다양한 공간에 장착될 수 있도록 하는 구조로 설계하여, 디바이스의 내부 공간의 활용도를 극대화시키고, 일반적으로 장방형의 구조를 가지는 디바이스의 외형 구조에서 벗어나 여러가지 외형을 가지는 디바이스에서도 효율적으로 장착이 가능한 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막 구조의 전극조립체가 내장된 전지셀로서,
일 단위의 전지케이스가 절곡되어 상부 케이스 및 하부 케이스를 형성하고 있고;
상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중의 적어도 하나에는, 상기 전극조립체가 수납되고 하나 이상의 측면 모서리에 라운드 코너가 형성되어 있는, 수납부가 형성되어 있으며;
상기 전지케이스의 변들(sides) 중에서, 전극단자들 중의 적어도 하나가 위치한 상변(upper side), 상기 상변에 인접한 제 1 측변(lateral side), 및 상기 상변에 대향한 하변(lower side)에, 상부 케이스와 하부 케이스의 열융착에 의한 실링부들이 위치하고, 상기 상변에 인접한 제 2 측변은 전지케이스의 절곡 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은 전극조립체가 수납되는 수납부에 라운드 코너를 형성시킴으로써, 전지셀이 장착되는 디바이스의 곡선을 포함하는 형상에 보다 정밀하게 대응할 수 있고, 그에 따라 디바이스를 더욱 소형화 시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은 일 단위의 전지케이스가 절곡되어 상부 케이스 및 하부 케이스를 형성하고 있고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중 적어도 하나에 형성된 수납부에 전극조립체를 수납한 후 하부 케이스의 상부에 상부 케이스를 덮어 수납부의 외주면을 실링하여 밀봉을 이루는 구조로 구성될 수 있다.
상기 전극조립체의 양극들 및 음극들은 각각 전지케이스의 외측으로 돌출된 전극 단자들에 각각 연결되어 있으며, 상기 전극 단자가 돌출되어 있는 상변에 인접한 제 2 측변이 절곡되어 하부 케이스상에 상부 케이스가 덮히는 구조를 형성하며, 상변, 하변 및 제 1 측변은 열융착에 의해 실링되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 수납부의 모서리에 형성되는 라운드 코너는 그 개수 및 위치가 특별히 한정되지 않는다.
예를 들어, 상기 라운드 코너는 상변과 접하지 않는 하나 이상의 모서리(edge)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 하변 및 제 1 측변 사이의 모서리, 또는 하변 및 제 2 측변 사이의 모서리에 라운드 코너가 형성될 수 있다.
또한, 상기 라운드 코너는 제 1 측변의 모서리에 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 1 측변과 상변 사이의 모서리, 및 제 1 측변과 하변 사이의 모서리 중 적어도 하나에 라운드 코너가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 라운드 코너는 전지케이스가 절곡되어 접히는 부위를 제외한 타측에 형성되는 구조를 이룰 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 라운드 코너의 곡률 반경의 최대 크기는 전지케이스의 수납부 길이의 50% 크기일 수 있다. 여기서 상기 수납부의 길이는 전극 리드가 돌출되는 방향에서의 일변의 길이일 수 있고, 전지케이스의 전극 리드가 돌출되는 방향에 수직인 방향에서의 일변의 길이일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 전극 리드가 돌출되어 있는 방향의 일변의 길이는, 상기 전극 리드가 돌출되는 방향에 수직인 방향에서의 일변의 길이보다 짧은 구조로 이루어질 수 있으며, 이 때, 상기 라운드 코너의 곡률 반경의 최대 크기는 수납부의 장변 길이의 50% 크기일 수 있으며, 구체적으로 상기 라운드 코너의 곡률 반경은 수납부의 장변 길이의 5 내지 45% 범위 내의 크기로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 수납부의 라운드 코너가 형성된 부위에 대응하는 전지케이스의 열융착된 변에는 라운드 코너가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 라운드 코너가 형성되어 있는 열융착된 변의 폭은 라운드 코너가 형성되어 있지 않은 열융착된 변의 폭과 동일한 구조로 형성될 수 있다. 즉, 열융착된 변의 폭이 일정하도록 함으로써, 전지셀의 내압이 상승할 때 라운드 코너가 형성되어 있는 부위를 통해 전지셀 내부의 가스가 유출되는 것을 방지하는 구조로 이루어져 있다.
상기 전극조립체는 양극 탭들 및 음극 탭들이 일측 방향으로 돌출되어 있거나, 또는 일측에 양극 탭들이 돌출되어 있고 그 대향측에 음극 탭들이 돌출되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상기 전극조립체를 내장하는 전지셀에서도 전지케이스의 상변에 양극 단자 및 음극 단자가 돌출되어 있거나, 또는 상변에 양극 단자가 돌출되어 있고 하변에 음극 단자가 돌출되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전지케이스의 수납부 내의 공간을 최대한 활용하여 전지의 용량 더욱 높이기 위하여, 상기 전극조립체의 외면은 수납부의 내면 형상에 대응하는 구조로 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 전극 탭들이 각각의 극판으로부터 돌출된 구조의 단위셀들을 둘 이상 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 단위셀들은, 예를 들어, 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고, 그 중 적어도 둘 이상의 단위셀들은 평면 크기가 서로 다른 구조로 형성될 수 있다.
이러한 단위셀들은 각각 하나 이상의 모서리에 라운드 코너가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 단위셀들의 라운드 코너가 형성된 모서리는 동일한 방향의 모서리일 수 있다.
상기 단위셀들의 적층 구조는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 전극조립체의 하부로부터 상부쪽으로 단위셀의 크기가 작아지는 배열로 적층되어 계단 형상의 단차를 형성하는 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 크기가 서로 다른 전지셀들을 적층한 구조의 종래기술과 비교하여 사공간을 최소화하여 동일한 크기 대비 전지용량을 증대시킬 수 있으므로, 매우 바람직하다.
상기 전극조립체의 단위셀은 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 스택형 구조 또는 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 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 다수의 단위셀들이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고 그 중 적어도 둘 이상의 단위셀들은 평면 크기가 서로 다른 전극조립체, 즉 적층형 전극조립체는, 양극과 음극 중 어느 하나가 분리막들 사이에 개재되어 있고, 양극, 음극, 분리막들은 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 구조의 제 1 단위셀을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 분리막들 중 하나는 제 2 분리막을 구성하는 것일 수 있다.
또한, 상기 적층형 전극조립체는 양극과 음극 중 어느 하나가 분리막들 사이에 개재되어 있고, 양극 또는 음극 중 어느 하나와 분리막들이 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 제 2 단위셀을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 분리막들 중 하나는 제 2 분리막을 구성하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 단위셀은, 양극, 분리막, 음극, 분리막이 순차적으로 스택된 상태로 접합(laminate)된 구조 또는 음극, 분리막, 양극, 분리막이 순차적으로 스택된 상태로 접합된 구조일 수 있다.
상기 적층형 전극조립체는, 분리막이 양극과 음극 사이에 개재되어 있고, 양극, 음극, 분리막이 적층된 상태에서 접합되어 있는 제 3 단위셀을 포함할 수 있다.
상기 적층형 전극조립체는, 양극과 음극 중 어느 하나와 하나의 분리막이 적층된 상태에서 접합되어 있는 제 4 단위셀을 포함할 수 있다.
상기 적층형 전극조립체는, 상기 제 1 단위셀, 제 2 단위셀, 제 3 단위셀, 제 4 단위셀들 중에서 선택된 어느 하나로 이루어져 있을 수도 있고, 이들의 조합일 수도 있다.
상기 제 1 단위셀의 최상단 또는 최하단에는 제 2 단위셀이 스택되어 있을 수 있다.
제 2 단위셀들만이 적층되어 있는 구조는 제 2 단위셀들 사이에 양극 또는 음극 중 어느 하나가 개재되어 있을 수 있다.
상기 제 1 단위셀 내지 제 4 단위셀에는 양극, 분리막, 음극의 스택 구조를 더욱 견고히 유지하는 고정 부재가 더 부가되어 있을 수 있다.
상기 고정부재는, 제 1 단위셀 또는 제 2 단위셀과는 별개의 외부 부재로서, 단위셀의 외주면의 일부 또는 전부를 감싸고 있는 점착 테이프 또는 접착 테이프일 수 있다.
상기 단위셀의 외주면은, 단위셀의 측면, 평면, 전면, 후면 등을 모두 포함하는 개념일 수 있다.
상기 고정부재는, 단위셀을 구성하는 분리막의 일부일 수 있고, 이 경우, 분리막의 말단을 열융착시킴으로써 단위셀을 고정시킬 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 분리막의 말단은 양극과 음극의 크기, 즉, 가로길이 또는 세로길이에 비해 길게 연장되어 있을 수 있다. 연장된 분리막의 말단은 서로 열융착될 수 있다.
상기 고정부재는, 제 1 단위셀 또는 제 2 단위셀을 고정시킬 수 있는 기능을 할 수 있는 부재를 모두 포함한다.
상기한 제 1 단위셀과 제 2 단위셀을 포함하여 적층형 전극조립체를 구성하는 경우, 양극, 음극, 분리막이 단순히 스택되어 있는 구조의 적층형 전극조립체에 비해 양산성 내지 양품률을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1 단위셀 단위로 양극, 분리막, 음극이 서로 접합되어 있는 상태이므로, 스웰링으로 인한 부피팽창을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
상기한 제 1 단위셀과 제 2 단위셀을 포함하여 적층형 전극조립체를 구성하는 경우, 폴딩 공정으로 구현되는 전극조립체의 어라인 불량이나 공정설비를 제거하고, 하나의 라미네이터만을 가지고 제 1 단위셀 또는 제 2 단위셀의 형성을 완료하고, 단순 스택으로 적층형 전극조립체를 구현할 수 있게 되는 바, 폴딩 공정시 발생하는 전극 손상이 감소되며, 전해액 젖음성이 향상될 수 있고, 외부로 노출되는 분리막을 단면 유무기 복합 분리막(SRS 분리막)을 적용할 수 있게 되어 셀의 두께가 감소함과 동시에 공정 비용을 절감할 수 있게 된다.
상기 전지케이스의 수납부는 상기 전극조립체의 외면 형상에 대응하는 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은 상기와 같은 특정한 구조에 기반하여 다양한 용량 및 크기를 가진 전지셀로 제작될 수 있고, 이러한 전지셀을 장착하는 디바이스의 제조에 있어서, 전지셀이 디바이스의 다양한 공간에 장착될 수 있으므로, 디바이스 내부 공간 활용도를 극대화 시킬 수 있다.
상기 전지셀은 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지셀일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 전원으로 포함하고 있는 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.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로서 둘 이상 포함하고 있는 전지팩을 제공한다. 즉, 상기 전지셀을 단위전지로서 둘 이상을 직렬 및/또는 병렬로 연결한 구조의 전지팩을 제공하고, 이러한 전지팩은 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등의 디바이스에 사용될 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 크기가 다른 단위셀을 적층하여 형성되고 곡면 구조의 라운드 코너를 포함함으로써, 전지셀이 장착되는 디바이스의 곡선을 포함하는 형상에 보다 정밀하게 대응할 수 있고, 그에 따라 디바이스를 더욱 소형화 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 라운드 코너가 형성되어 있는 모서리 부위의 밀봉성을 향상시키는 구조를 사용함으로써 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전지셀에 대한 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다;
도 3은 도 2의 전지셀에 관한 평면도이다;
도 4는 도 3의 전지셀의 전지케이스에 관한 사시도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도이다;
도 6은 도 5의 수직 단면도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제 1 단위셀의 구조를 도시한 것이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제 2 단위셀의 구조를 도시한 것이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 적층형 전극조립체를 도시한 모식도이다;
도 11은 도 8의 제 1 단위셀의 고정구조의 모식도이다;
도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제 1 단위셀의 제조공정도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다;
도 3은 도 2의 전지셀에 관한 평면도이다;
도 4는 도 3의 전지셀의 전지케이스에 관한 사시도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도이다;
도 6은 도 5의 수직 단면도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제 1 단위셀의 구조를 도시한 것이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제 2 단위셀의 구조를 도시한 것이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 적층형 전극조립체를 도시한 모식도이다;
도 11은 도 8의 제 1 단위셀의 고정구조의 모식도이다;
도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제 1 단위셀의 제조공정도를 도시한 것이다.
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 전지셀의 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전지셀에 관한 평면도가 도시되어 있으며, 도 4에는 도 3의 전지셀의 전지케이스에 관한 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지셀(100)은 수납부(112)에 라운드 코너(150)가 형성되어 있는 전지케이스(110), 수납부(112) 내에 장착되는 전극조립체(도시하지 않음)를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
전지케이스(110)는 일 단위의 부재가 절곡되어 상부 케이스(114) 및 하부 케이스(115)를 형성하고 있고, 상부 케이스(114)는 전극조립체가 수납되며, 일측 모서리에 라운드 코너(150)가 형성되어 있는 오목한 형상의 수납부(112)를 포함하고 있다.
전지케이스(110)의 변들(116, 117, 118, 119) 중에서, 전극단자들(140)이 위치한 상변(116), 상변(116)에 인접한 제 1 측변(117), 및 상변(116)에 대향한 하변(118)에, 상부 케이스(114)와 하부 케이스(115)의 열융착에 의한 실링부(160)가 위치하고, 상변(116)에 인접한 제 2 측변(119)은 전지케이스(110)의 절곡 구조로 이루어져 있다.
즉, 전극단자들(140)이 돌출되어 있는 상변(116)에 인접한 제 2 측변(119)이 절곡되어 하부 케이스(115)상에 상부 케이스(114)가 덮히는 구조를 형성하며, 상변(116), 하변(118) 및 제 1 측변(117)은 열융착에 의해 실링되는 구조로 이루어져 있다.
라운드 코너(150)는 제 1 측변(117)과 하변(118) 사이의 모서리에 형성되어 있으며, 도면에는 도시하지 않았지만, 제 1 측변(117)과 상변(116) 사이의 모서리에도 형성될 수 있으며, 제 1 측변(117)과 상변(116) 및 하변(118) 사이의 모서리에 각각 라운드 코너가 형성될 수 도 있다.
또한, 라운드 코너(150)가 형성되어 있는 부위의 열융착된 변은 수납부(110)의 라운드 코너(150) 형상에 대응하여 라운드 코너가 형성되어 있으며, 라운드 코너가 형성되어 있는 변의 폭(W1)은 라운드 코너가 형성되어 있지 않은 열융착된 변의 폭(W2)과 크기가 같은 구조로 형성되어 있다.
한편, 제 2 측변(119)이 절곡되어 상부 케이스(114) 및 하부 케이스(115)를 형성하는 바, 절곡되는 방향에 위치한 수납부(112)의 측변(111)과 제 2 측변(119)의 사이의 폭(W3)은, 라운드 코너가 형성되어 있는 변의 폭(W1) 및 라운드 코너가 형성되어 있지 않은 열융착된 변의 폭(W2)보다 작은 구조로 형성되어 있다. 이러한 수납부(112)의 측변(111)과 제 2 측변(119)의 사이는 실링되는 부위가 아니므로 폭(W3)을 상대적으로 작게 형성시키거나, 또는 절곡 부위에 수납부의 측변이 바로 위치하도록 폭(W3)의 크기가 0으로 형성될 수 도 있다.
또한, 도 1의 파우치형 이차전지(10)와 같이 전극리드들(40, 41)이 돌출되는 일측의 대향측에 전지케이스(20)의 절곡 구조가 형성되어 있고, 절곡 구조가 형성되어 있는 부위가 포함되도록 라운드 코너가 형성될 경우, 라운드 코너 부위의 밀봉력에 대한 균일성을 확보하기 어렵다는 단점이 따른다. 즉, 불균일한 밀봉 상태에 의해, 비정상적인 상황에서 내압이 상승하는 경우 밀봉력이 상대적으로 약한 부위의 실링이 해제되는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 도 2 및 도 3과 같이 라운드 코너(150)가 형성되어 있는 부위와 절곡 구조가 형성되어 있는 변(119)은 서로 인접하거나 겹치지 않게 형성시킴으로써 라운드 코너(150)의 실링 부위가 균일한 밀봉력을 가지도록 형성시킨 구조로 이루어져 있다.
즉, 상변(116)에 인접한 제 2 측변(119)은 전지케이스(110)의 절곡 구조로 이루어져 있고, 라운드 코너(150)는 제 1 측변(117)과 하변(118) 사이의 모서리에 형성되어 있다.
전극조립체는 수납부 내부의 공간을 최대한 활용할 수 있도록 라운드 코너(150)가 형성되어 있는 수납부(110)의 형상에 대응하는 구조의 라운드 코너가 형성될 수 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 전지셀(200)은 각각 길이(AL, BL, CL)와 용량이 다른 단위셀들(212, 214, 216)이 수직 적층되어 전지케이스(220) 내부에 내장되어 있다. 또한, 수직 적층된 형상은 전지케이스(220) 외부로 돌출된 전극단자(270) 쪽으로 두께가 증가하는 구조로 되어 있다.
수납부는 각각의 단위셀들(212, 214, 216)을 수납하도록 계단 형상의 구조를 이루고 있으며, 일측에는 라운드 코너들(250)이 형성되어 있다. 이러한 라운드 코너들(250)은 수납부의 동일한 방향의 모서리에 형성되어 있다.
단위셀들(212, 214, 216)은 하부로부터 상부 방향으로 평면상 크기가 작아지는 배열로 적층되어 있으며, 각각의 단위셀들(212, 214, 216)에 형성되어 있는 라운드 코너들의 곡률반경이 서로 다른 구조로 형성되어 있다. 즉, 단위셀들의 곡률반경도 하부로부터 상부 방향으로 점점 작아지는 구조를 이루고 있다.
한편, 단위셀들(212, 214, 226)의 용량은 각 단위셀들(212, 214, 216)의 길이(AL, BL, CL), 높이(AH-BH, BH-CH, CH) 및 폭(도시하지 않음)의 곱에 비례한다.
전지셀(200)의 특이한 구조에서, 크기가 다른 단위셀들(212, 214, 216)에 의해 우측 상단에 여유 공간(S3)이 생성되고, 이는 상기 단위셀들(212, 214, 216)의 길이, 높이 및 폭에 반비례한다.
이러한 공간은 적용 디바이스의 불규칙한 내부공간 또는 또 다른 부품들에 의한 간섭 등의 조건에 대응하기 위한 것으로서, 두께가 증가하는 방향 및 적층 두께 증가 정도 역시 적용 상황에 맞도록 유연하게 설계 변경할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도가 도시되어 있다. 도 5의 전지셀은 평면상 크기가 다른 3종의 단위셀들이 적층되어 있고, 이에 따라 수납부도 3단으로 형성되어 있는 구조가 도시되어 있다. 그러나, 도 7의 전지셀(300)은 평면상 크기가 다른 2종의 단위셀들이 적층되어 있고, 이에 따라 수납부(312)도 2단 구조를 형성하고 있으며, 수납부(132)의 일측 모서리방향으로 곡률반경이 다른 라운드 코너들(350)이 각각의 단에 형성되어 있다.
즉, 필요에 따라 평면상 크기가 다른 단위셀들이 3단 또는 2단으로 적층된 구조에 한정되지 않고, 다양한 개수의 단차를 가지는 구조로 형성될 수 있다.
제 1 단위셀은 도 8에 도시된 구조와 같이 분리막(310), 양극(320), 분리막(330), 음극(340)이 순차적으로 적층된 상태로 접합된 구조로 이루어져 있다.
제 2 단위셀은, 도 9에 도시된 구조와 같이, 분리막(410), 음극(420), 분리막(430)이 순차적으로 적층된 상태로 접합된 구조로 이루어져 있다.
도 10에는 도 9의 제 1 단위셀들이 적층된 제 1 단위셀 적층체의 최상단에 도 9의 제 2 단위셀이 적층된 구조의 적층형 전극조립체가 도시되어 있다.
도 11에는, 도 9의 제 1 단위셀에 고정부재가 더 부가된 실시예가 도시되어 있다. 구체적으로 제 1 단위셀(300)의 측면 또는 전면에는 고정부재(T1)가 더 부가되어 있다.
단순 적층구조로 인해 적층의 안정성을 확보하기 위해, 적층된 구조의 측면에 별개의 부재를 이용하여 고정을 수행할 수 있으며, 이러한 고정부재는 도 11 (a)에 도시된 것과 같이, 제 1 단위셀(300)의 전면을 테이핑하는 방식으로 구현하거나, 11 (b)에 도시된 것과 같이, 제 1 단위셀(300)의 측면만을 고정하는 고정부재(T2)로 구현하는 것이 가능하다.
도 12는 본 발명에 따른 제 1 단위셀의 제조공정을 도시한 공정 모식도이다.
도시된 것과 같이, 분리막(310), 양극(320), 분리막(330), 음극(340)의 재료(시트형 구조로 로딩되는 로딩유닛을 이용)를 동시에 로딩하며, 중간층으로 이용되는 양극(320)을 설계된 크기로 절단하여 로딩하며, 이후 상부와 하부에 배치된 분리막(310, 330)이 동시에 로딩됨과 동시에 음극(340) 재료가 함께 라미네이터(L1, L2)로 로딩되게 된다.
이후 라미네이터에서는 열과 압력으로 2개의 전극판과 2개의 분리막이 접착된 구조체 즉 제 1 단위셀로 구현하게 되며, 이후 절단기(C3)를 통해 절단하여 제 1 단위셀을 완성 후, 두께검사(a), 비전검사(b), 쇼트검사(c) 등의 검사 공정이 추가로 수행될 수 있다.
이후, 이렇게 형성된 제 1 단위셀은 고정부재를 이용하여 고정하거나, 적층을 통해 다수의 제 1 단위셀이 적층된 구조물로 형성한 후, 도 13의 제 2 단위셀을 적층하고, 고정부재를 통해 고정하는 공정을 통해 적층형 전극조립체를 완성할 수 있도록 한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (26)
- 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막 구조의 전극조립체가 내장된 전지셀로서,
일 단위의 전지케이스가 절곡되어 상부 케이스 및 하부 케이스를 형성하고 있고;
상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중의 적어도 하나에는, 상기 전극조립체가 수납되고 하나 이상의 측면 모서리에 라운드 코너가 형성되어 있는, 수납부가 형성되어 있으며;
상기 전지케이스의 변들(sides) 중에서, 전극단자들 중의 적어도 하나가 위치한 상변(upper side), 상기 상변에 인접한 제 1 측변(lateral side), 및 상기 상변에 대향한 하변(lower side)에, 상부 케이스와 하부 케이스의 열융착에 의한 실링부들이 위치하고, 상기 상변에 인접한 제 2 측변은 전지케이스의 절곡 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 측변의 위치에서 전지케이스가 절곡되어, 상부 케이스가 나머지 변들에서 하부 케이스와 밀착 및 열융착된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 라운드 코너는 상변과 접하지 않는 하나 이상의 모서리(edge)에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 라운드 코너는 제 1 측변의 모서리에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 라운드 코너의 곡률 반경의 최대 크기는 수납부의 장변 길이의 50% 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 5 항에 있어서, 상기 라운드 코너의 곡률 반경은 수납부의 장변 길이의 5 내지 45% 범위 내의 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 수납부의 라운드 코너가 형성된 부위에 대응하는 전지케이스의 열융착된 변에는 라운드 코너가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 7 항에 있어서, 상기 라운드 코너가 형성되어 있는 열융착된 변의 폭은 라운드 코너가 형성되어 있지 않은 열융착된 변의 폭과 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스의 상변에 양극 단자 및 음극 단자가 돌출되어 있거나, 또는 상변에 양극 단자가 돌출되어 있고 하변에 음극 단자가 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 외면은 수납부의 내면 형상에 대응하는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 전극 탭들이 각각의 극판으로부터 돌출된 구조로 이루어져 있고, 적어도 하나 이상의 모서리에 라운드 코너가 형성되어 있는 단위셀들을 둘 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 11 항에 있어서, 상기 단위셀들은 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고, 그 중 적어도 둘 이상의 단위셀들은 평면 크기가 서로 다른 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 11 항에 있어서, 상기 단위셀들의 라운드 코너가 형성된 모서리는 동일한 방향의 모서리인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 11 항에 있어서, 상기 단위셀들은 전극조립체의 하부로부터 상부쪽으로 단위셀의 크기가 작아지는 배열로 적층되어 계단 형상의 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 14 항에 있어서, 상기 단위셀들은 하부로부터 상부쪽으로 라운드 코너의 곡률반경이 점점 작아지는 구조로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 11 항에 있어서, 상기 전극조립체의 단위셀들은 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 16 항에 있어서, 상기 단위셀은, 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 판상의 제 1 분리막을 포함하고, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있는 스택형 단위셀인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 17 항에 있어서, 상기 스택형 단위셀은, 양극과 음극 중 어느 하나가 최외각을 구성하고, 최외각 양극과 음극 중 어느 하나가 분리막들 사이에 개재되도록, 양극, 음극, 및 분리막들은 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 구조의 제 1 단위셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 17 항에 있어서, 상기 스택형 단위셀은, 분리막들이 최외각을 구성하고, 양극과 음극 중 어느 하나가 분리막들 사이에 개재되도록, 양극, 음극, 분리막이 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 구조의 제 2 단위셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 15 항에 있어서, 상기 전지케이스의 수납부에는 전극조립체의 외면 형상에 대응하는 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬이온 전지셀 또는 리튬이온 폴리머 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 단위전지로서 둘 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 전원으로 포함하고 있는 디바이스.
- 제 23 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 22 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스.
- 제 25 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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