KR20160062898A - 서로 다른 크기의 전극조립체를 포함하는 전지셀 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조를 가진 둘 이상의 전극조립체들이 하나의 전지케이스에 내장되어 있으며, 상기 전지케이스에는 각각의 전극조립체들이 상호 독립적으로 장착되는 수납부들이 전극조립체의 개수의 대응하여 형성되어 있고, 상기 전극조립체들은 크기가 서로 다르며, 전극단자들을 제외한 전극조립체의 나머지 부위가 각각의 수납부에 전해액이 함침된 상태로 장착되어, 다양한 디바이스의 형상에 대응하여 장착되고, 에너지 효율을 도모할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

서로 다른 크기의 전극조립체를 포함하는 전지셀 및 그의 제조 방법 {Battery Cell Comprising Electrode Assemblies of Different Size and Method for Preparing the Same}
본 발명은 전지셀에 관한 것으로, 상세하게는 둘 이상의 전극조립체들이 상기 전극조립체들이 상호 독립적으로 장착되는 수납부들이 형성되어 있는 하나의 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 ‘유비쿼터스 사회’로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 전지케이스에 내장한 다음 전해액을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.
최근에는, 전지의 고용량화로 인해 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공이 많은 관심을 모으고 있고, 이에 따라, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지셀이, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 파우치형 전지셀의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 전지셀(10)은, 파우치형 전지케이스(20)의 내부에 양극, 음극, 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 내장되어 있고, 그것의 전극 탭들(31, 32)이 두 개의 전극리드들(41, 42)에 각각 용접되어 전지케이스(20)의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일측이 연결되어 있는 덮개(22)로 이루어져 있다. 상기 덮개(22)는 공정에 따라 본체(21)와 분리되어 있기도 하고 연결되어 있기도 한다.
또한, 도 1은, 스택형 전극조립체(30)를 사용한 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 권취형 또는 젤리-롤형 전극조립체를 사용하는 경우에도 상기와 같은 방법으로 제조될 수 있음은 물론이다.
한편, 도 1에서와 같이, 파우치형 전지셀은, 대략 직육면체의 형상으로 제조되는 것이 일반적이다.
그러나, 디바이스의 디자인은 직육면체 형상으로만 이루어지지 않을 수 있을 뿐만 아니라, 휘어질 수 있는 형상일 수도 있다. 예를 들어, 스마트 폰의 경우에는, 파지감의 향상을 위하여, 측면을 곡선 처리할 수 있고, 플렉서블 디스플레이 같은 경우에는 휘거나 굽힐 수 있으며, 다양한 형태로 제작이 가능하다.
이렇게 곡선 처리된 부분을 가지도록 디자인된 디바이스 또는 휘어질 수 있는 디바이스의 경우, 직육면체 형상의 전지셀 또는 전지팩을 디바이스 내부의 공간에 내장하는 것에 한계가 있는 문제가 있는 바, 최근에는 다양한 디자인의 디바이스 내에 쉽게 장착할 수 있는 전지의 유연한 특성이 요구되고 있다.
또한, 디바이스의 구조가 복잡해지면서 디바이스 내에 장착되어 있는 기기의 종류가 다양해지고, 기기에 따라 에너지 소모에 차이가 있는 바, 각각의 기기에 따라 별도의 전력 장치를 부가하거나, 충방전 상태에 따라 전력 장치들 간의 보완을 통해 전력 장치 간 에너지 효율을 도모하고, 안정적인 전압을 제공할 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, 둘 이상의 전지셀들을 하나의 전지케이스에 포함함으로써, 다양한 형상의 디바이스 내에 쉽게 장착하고, 유연한 특성을 가지는 전지셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 하나의 전지케이스에 포함되어 있는 둘 이상의 전지셀들이 충방전 상태에 따라 상호 보완하여, 효율적으로 에너지를 공급하는 전지셀의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조를 가진 둘 이상의 전극조립체들이 하나의 전지케이스에 내장되어 있으며;
상기 전지케이스에는 각각의 전극조립체들이 상호 독립적으로 장착되는 수납부들이 전극조립체의 개수의 대응하여 형성되어 있고;
상기 전극조립체들은 크기가 서로 다르며, 전극단자들을 제외한 전극조립체의 나머지 부위가 각각의 수납부에 전해액이 함침된 상태로 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 둘 이상의 서로 다른 크기의 전극조립체들을 포함하고, 상기 전극조립체들 각각에 대응되는 수납부가 형성되어 있는 하나의 전지케이스에 상기 전극조립체들을 장착하여, 다양한 형상의 디바이스에 용이하게 장착되고, 각각의 전극조립체들이 서로 다른 기기를 운영하거나, 전압 밸런싱을 통한 상호 보완 과정으로 에너지 효율을 도모할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 라미네이트 시트는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스일 수 있다. 구체적으로 상기 라미네이트 시트는 열융착이 행해지는 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 내구성을 발휘하는 외부 수지층을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 외부 수지층은 외부 환경에 대해 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성이 필요하다. 이러한 측면에서 외부 피복층의 고분자 수지는 인장강도 및 내후성이 우수한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 피복층은 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)와 비교하여 얇은 두께에서도 우수한 인장강도와 내후성을 가지므로 외부 피복층으로 사용하기에 바람직하다.
상기 내부 수지층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 전해액에 대한 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어질 수 있다.
상기 라미네이트 시트는, 예를 들어, 외부 피복층의 두께가 5 내지 40 ㎛이고, 베리어층의 두께가 20 ㎛ 내지 150 ㎛이며, 내부 실란트층의 두께가 10 ㎛ 내지 50 ㎛인 구조로 이루어질 수 있다. 상기 라미네이트 시트의 각 층들의 두께가 너무 얇은 경우에는 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 전지셀은, 하나의 전지케이스에 둘 이상의 전극조립체들을 포함하는 전지셀로서, 전극조립체의 개수를 특별히 한정하지는 않으나, 2개 내지 10개의 전극조립체들을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 범위를 벗어나, 1개의 전극조립체를 포함하는 전지셀은 종래 기술과 다를 바, 없고, 10개 초과의 전극조립체들을 포함하는 경우, 공정이 복잡해지고, 제조단가가 상승하는 문제점이 있어 바람직하지 않다.
일반적으로 전지셀에 포함되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조를 가지고 있으며, 그 구조에 따라 젤리-롤형, 스택형, 스택/폴딩형 구조로 나눌 수 있다.
젤리-롤형(권취형) 전극조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조이고, 스택형(적층형) 전극조립체는 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 구조이다. 최근에는, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되어, 고용량, 저비용의 전지셀의 제조가 가능하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 하기 구조들 중의 하나로 이루어질 수 있다:
(i) 양극 시트와 음극 시트가 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤형 구조;
(ii) 둘 이상의 양극판들과 둘 이상의 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 스택형 구조;
(iii) 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층 접합되어 있는 둘 이상의 단위셀들이 분리 필름에 의해 권취되어 있는 스택/폴딩형 구조.
즉, 본 발명에 따른 전지셀에 포함되는 전극조립체의 종류는 제한되지 않으며, 장착되는 기기 또는 디바이스에 따라 적합한 전극조립체를 적용할 수 있다.
상기 전극조립체들 중, 스택형, 또는 스택/폴딩형 전극조립체는, 소정의 단위셀을 적층하거나 권취하여 제조되며, 상기 단위셀은 양측 외곽의 전극들이 동일한 극성을 가진 바이셀(bicell) 구조일 수 있고, 양측 외곽의 전극들이 서로 다른 극성을 가진 풀셀(fullcell) 구조일 수 있으며, 바이셀과 풀셀을 혼합하여 사용한 구조일 수도 있다.
상기 전극조립체들의 외형은, 전지케이스의 수납부들에 용이하게 장착될 수 있는 것이면 제한되지 않으며, 정육면체 형상, 직육면체 형상, 원기둥 형상 및 반구형 형상으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형상일 수 있다.
이에 전지케이스에 형성되는 수납부들 또한 전극조립체의 외형에 대응되도록 제조되며, 디바이스의 형상에 따라 다양한 형태로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은 하나의 전지케이스에 둘 이상의 전극조립체를 포함하여, 각각 다른 장치를 운영하거나, 전극조립체들 간의 상호 보완을 통해 보다 안정적이고 효율적인 이차전지를 제공한다.
상기 전극조립체들은 전기적으로 상호 절연되어 있을 수도 있고, 전기적으로 긴밀하게 연결되어 있을 수도 있으나, 전극조립체들이 각각 다른 장치를 운영하는 경우에는, 각각 전기적으로 상호 절연되어 있는 것이 바람직하다.
이때, 상기 전극조립체들은 서로 다른 보호회로부에 전기적으로 연결되어 독립적으로 보호되며, 서로 다른 디바이스 본체에 전기적으로 연결되어, 별개의 디바이스를 운영한다.
따라서, 서로 다른 디바이스 본체에 전기적으로 연결된 전극조립체들은 각각의 용량에 따라 알맞은 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 노트북의 경우 중앙처리장치부(CPU)보다 디스플레이부에서 소모되는 전력이 상대적으로 크므로, CPU에 저용량의 전극조립체를 연결하고, 디스플레이부에 고용량의 전극조립체를 연결하여, 효율적으로 전력을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀은 하나의 전지셀로 둘 이상의 디바이스에 전력을 제공하는 바, 둘 이상의 전지셀을 장착하기 위한 부품 등을 생략하여 제조비용을 절감할 수 있다.
반대로 상기 전극조립체들은 하나의 작동회로부에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 상기 작동회로부는 상대적으로 고충전된 전극조립체를 우선적으로 디바이스 본체에 전기적으로 연결하여 출력용 방전을 유도하는 제 1 회로를 포함하고 있을 수 있다.
또한 상기 작동회로부는, 상대적으로 고충전된 전극조립체가 출력용 방전에 의해 설정 전압 이하로 방전되었을 때, 상대적으로 저충전된 전극조립체를 디바이스 본체에 전기적으로 연결하여 출력용 방전을 유도하는 제 2 회로를 포함하고 있을 수 있다.
상기 작동회로부는 전극조립체들의 전압 밸런싱을 위해 상대적으로 고충전된 전극조립체와 상대적으로 저충전된 전극조립체의 병렬 연결에 의해 전극조립체들의 전압 밸런싱을 수행하는 제 3 회로를 포함하고 있을 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 회로는 유기적으로 각 전극조립체들의 충방전을 조절하여, 전압을 안정적으로 유지하고, 에너지 효율을 도모할 수 있는 잇점이 있다.
한편, 상기 전극조립체들은 양극, 음극, 및 이들 사이에 배치죄는 분리막으로 이루어져 있고, 상기 양극으로부터 연장된 양극단자와 음극으로부터 연장된 음극단자가 전극리드에 각각 용접되어 전지케이스의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)된다.
상기 전극단자들은 동일한 방향으로 배열되어 있을 수도 있고, 상이한 방향으로 배열되어 있을 수도 있으나, 파우치형 전지 제조의 편의성과 전극단자가 위치한 부분에서의 밀봉상태가 다른 부위보다 취약함을 고려하여, 동일한 방향으로 배열되어 있는 것이 바람직하다.
상기 전지케이스에는 상기와 같이 서로 다른 크기의 전극조립체들과 대응되도록 수납부들을 형성한다. 이때, 전극조립체의 수납이 용이하고, 전극단자들이 동일한 방향으로 배열되도록, 상기 수납부들은 일측 모서리들이 상호 인접하도록 평면 배열된 구조로 전지케이스에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 수납부들은 평면 배열된 구조뿐만 아니라, 적층 구조를 형성하도록 전지케이스가 절곡되어 있을 수도 있다. 따라서, 상기와 같이 전지케이스가 절곡되는 전지셀은 디바이스가 절곡되는 경우에도 내부에 장착되어 함께 절곡될 수 있어, 설계가 용이하다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 제조하는 방법으로서,
(i) 서로 다른 크기의 둘 이상의 전극조립체를 준비하는 과정;
(ii) 전극조립체 각각에 대응하는 형상의 둘 이상의 수납부들이 형성되어 있는 라미네이트 시트를 준비하는 과정;
(iii) 상기 수납부들에 전극조립체들을 각각 장착하고 전해액을 주입하는 과정; 및
(iv) 상기 라미네이트 시트의 일부를 접어 수납부들을 밀폐하는 과정;
을 포함하는 전지셀의 제조 방법을 제공한다.
일반적으로 파우치형 이차전지는, 예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스의 수납부에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 파우치형 이차전지는 라미네이트 시트에 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 상기 시트와 분리되어 있는 별도의 시트 또는 그로부터 연장되어 있는 시트를 열융착하여 밀봉하는 것으로 제조된다.
상기 과정(i)은 서로 다른 크기의 둘 이상의 전극조립체들을 준비하는 과정으로, 상기 전극조립체는 양극, 음극, 및 분리막을 포함한다.
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 중량% 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 중량% 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.
상기 전극조립체들은 젤리-롤형, 스택형, 및 스택/폴딩형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 구조일 수 있고, 반드시 서로 같은 구조일 필요는 없으나, 제조의 편의를 고려하여 같은 구조의 전극조립체인 것이 바람직하다.
상기 과정(ii)은 라미네이트 시트를 준비하는 과정으로, 전극조립체 수납부들은 상부 및 하부 라미네이트 시트의 일측 또는 양측에 형성되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 상호 분리된 별도의 상부 및 하부 라미네이트 시트를 사용하거나 또는 상부 및 하부 라미네이트 시트의 일측이 연결되어 있는 하나의 시트를 사용하는 것이 가능하나, 열융착 부위를 감소시키고, 밀봉성(습기의 유입) 및 공정성을 고려하여 일측이 연결되어 있는 하나의 시트를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 라미네이트 시트는 전극조립체 각각에 대응하는 형상의 둘 이상의 수납부들이 형성될 수 있도록 수십 내지 수백 ㎛ 두께의 라미네이트 시트를 다이와 펀치를 사용하여 드로잉 공정으로 부분 압축함으로써 수납부를 형성할 수 있다.
구체적으로, 수납부 각각에 대응하는 형상이 각인되어 있는 성형 몰드를 준비하는 단계; 상기 성형 몰드의 상면에 라미네이트 시트를 배치하는 단계; 및 성형 지그로 라미네이트 시트를 가압하여, 수납부들이 형성되어 있는 라미네이트 시트를 제조하는 단계;를 통하여 수납부들을 형성할 수 있다.
상기 라미네이트 시트에 형성되어 있는 둘 이상의 수납부들은 장착되는 디바이스의 형상에 따라 서로 인접하여 있을 수도 있고, 이격되어 있을 수도 있다. 수납부들이 서로 이격되어 있는 경우, 전극조립체가 포함되지 않은 라미네이트 시트의 일부는 유연한 특성을 가지는 바, 플렉서블 기기에 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 과정(iii)은 상기 수납부들에 전극조립체들을 각각 장착하고 전해액을 주입하는 과정으로, 상기 전해액은 LiPF6 등의 리튬염을 포함하는 비수성 전해액을 넣어서 제조하게 된다. 따라서 상기 전해액은 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 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.
상기 과정(iv)은 수납부들을 밀폐하는 과정으로, 라미네이트 시트의 일부를 접어올려 1차적으로 밀폐하고, 외주면을 열융착 실링하여 2차적으로 밀폐한다.
구체적으로, 상기 1차 밀폐과정에서는, 전극조립체의 전극단자들이 위치하고 있는 방향을 기준으로 반대 방향에 위치하고 있는 라미네이트 시트의 일부를 접어 수납부들을 밀폐하는 것이 구조적으로 바람직하다.
전극단자는 그것의 재질과 두께로 인해 실링부의 밀봉성을 상대적으로 떨어뜨릴 수 있으므로, 전극단자가 위치하는 외주 부위에 인접한 부위를 접어 밀폐하는 경우, 접어 올린 부위와 전극단자를 포함하는 외주 부위의 밀봉성 및 대칭성을 악화시킬 수 있는 바, 바람직하지 않다. 따라서, 전극조립체의 전극단자들이 일방향으로 배열되어 있고, 그 반대방향으로 라미네이트 시트가 접히는 부위가 위치되도록 배치한다.
상기 2차 밀폐과정에서는, 수납부의 외주면에서 라미네이트 시트의 중첩 부위를 열융착시켜 실링한다.
이때, 라미네이트 시트가 접히는 부위는 별도로 열융착에 의한 실링이 필요하지 않으며, 필요에 따라, 전해액 주입과, 활성화 공정에서 발생한 가스를 포집하기 위한 가스 포켓을 형성할 수 있다.
한편, 리튬 이차전지는 양극 활물질로 LiCoO2 등의 금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료를 사용하며, 음극과 양극 사이에 다공성 분리막을 개재하고, LiPF6 등의 리튬염을 포함하는 비수성 전해액을 넣어서 제조하게 된다. 따라서 충전 시에는 양극 활물질의 리튬 이온이 방출되어 음극의 탄소층으로 삽입되고, 방전시에는 반대로 음극 탄소층의 리튬 이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입되며, 이때 비수성 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬 이온을 이동시키는 매질 역할을 한다. 이러한 리튬 이차전지는 기본적으로 전지의 작동 전압 범위에서 안정해야 하고, 충분히 빠른 속도로 이온을 전달할 수 있는 성능을 가져야 한다.
따라서, 상기 과정(iv)의 밀폐과정 이후에, 각각의 전극조립체를 충방전에 의해 활성화시키는 활성화 과정 및, 상기 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하는 탈기 과정을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
활성화 과정은 SEI 막의 형성을 위한 과정으로, 초기 충방전으로 음극 활물질 표면에 SEI 막을 형성하여, 계속적인 충방전 과정에서 음극 활물질의 표면에서 전해액이 분해되면서 추가적인 가스 발생하는 것을 억제한다.
탈기 과정은 상기 활성화 과정을 통해 발생한 가스를 제거하는 과정으로, 가스 포켓, 관통구 등을 형성하여 수행되며, 경우에 따라서는 고온, 고압 조건에서 수행될 수 있다.
본 발명은 상기 전지셀을 포함하는 전지팩과, 이러한 전지팩을 전원으로 포함하는 모바일 디바이스를 제공한다.
상기 모바일 디바이스의 대표적인 예로는 스마트 폰, 스마트폰 케이스, 웨어러블 기기, 스마트 패드, 태블릿 PC, 넷북 또는 노트북 컴퓨터 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
경우에 따라서는, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장 장치 등과 같은 중대형 디바이스에 사용될 수도 있음은 물론이다.
상기와 같은 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 둘 이상의 서로 다른 크기의 전극조립체들을 포함하고, 상기 전극조립체들 각각에 대응되는 수납부가 형성되어 있는 하나의 전지케이스에 상기 전극조립체들을 장착하여, 다양한 형상의 디바이스에 용이하게 장착되고, 각각의 전극조립체들이 서로 다른 기기를 운영하거나, 전압 밸런싱을 통한 상호 보완 과정으로 에너지 효율을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 파우치형 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 분해사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀로서, 스택형 전극조립체들을 포함하고 있는 전지셀을 모식적으로 나타낸 분해사시도이다;
도 3은 도 2에 나타낸 전지셀의 전지케이스를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀용 전지케이스로서, 수납부가 이격되어 있는 전지케이스를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀로서, 스택/폴딩형 전극조립체들을 포함하고 있는 전지셀을 모식적으로 나타낸 분해사시도이다;
도 6은 도 5에 나타난 전지셀을 모식적으로 나타낸 사시도이다; 및
도 7은 도 6에 나타낸 전지셀을 절단(A - B)한 절단면도들로서, 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전지케이스의 일부를 절곡시킨 전지셀의 절단면도들이다.
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 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 리튬 이차전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지셀(100)은, 전지케이스(200)의 내부에 전극조립체들(301, 302)이 내장되는 구조로 이루어진다. 전지케이스(200)는 본체(210)와 일체로 연결되어 있는 덮개(220)로 구성되며, 본체(210)는 전극조립체들을 수납할수 있는 수납부들(231, 232)이 형성되어 있다. 상대적으로 큰 스택형 전극조립체(301)는 대응되는 형상의 수납부(231)에 내장되고, 상대적으로 작은 스택형 전극조립체(302)는 대응되는 형상의 수납부(232)에 내장된다. 이후, 전해액을 주입하고 덮개(220)를 덮은 뒤, 열융착하여 전극조립체들(301, 302)을 전지케이스(200) 내에 밀봉하여, 전지셀(100)로 제조된다.
이때, 전극조립체들 및 수납부들은 장착되는 디바이스의 형상에 따라 3개 이상일 수도 있으며, 본체와 덮개의 접합선을 기준으로 좌우가 아닌 상하로 배치될 수 있음은 물론이다.
도 3에는 도 2에 따른 전지셀의 전지케이스를 나타낸 사시도가 도시되어 있고, 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀용 전지케이스로서, 수납부가 이격되어 있는 전지케이스를 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지케이스(200)의 본체(210)는 서로 다른 크기의 전극조립체들을 수납할수 있는 수납부들(231, 232)이 형성되어 있고, 전지케이스(201) 또한 2개의 수납부들(233, 234)이 본체(211)에 형성되어 있다.
전지케이스(200)에 형성된 수납부들(231, 232)은 서로 인접하여 형성되어 있는 반면에, 전지케이스(201)는 소정의 이격부(235)를 가지고 수납부들(233, 234)이 서로 이격되어 형성되어 있다. 따라서, 전지케이스(201)을 이용하여 제조된 전지셀은 라미네이트 시트로만 이루어진 이격부(235)가 유연한 특성을 가지는 바, 플렉서블 기기에 바람직하게 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀로서, 스택/폴딩형 전극조립체들을 포함하고 있는 전지셀을 모식적으로 나타낸 분해사시도이다. 본 발명에 따른 전지셀은 전극조립체의 구조에 제한되지 않고 각 디바이스의 특성에 맞는 전극조립체를 사용할 수 있다.
도 5를 참조하면, 도 2와 마찬가지로, 전지셀(300)은, 전지케이스(400)의 내부에 전극조립체들(501, 502)이 내장되는 구조로 이루어진다. 전지케이스(400)의 본체(410)에는 전극조립체들을 수납할수 있는 수납부들(431, 432)이 형성되어 있다. 상대적으로 큰 스택/폴딩형 전극조립체(501)는 대응되는 형상의 수납부(431)에 내장되고, 상대적으로 작은 스택/폴딩형 전극조립체(502)는 대응되는 형상의 수납부(432)에 내장된다. 수납부들(431, 432)는 도 2의 수납부들(231, 232)과는 달리, 각각 스택/폴딩형 전극조립체들(501, 502)과 대응되는 형상을 가진다.
도 6은 도 5에 나타난 전지셀을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 5와 함께 도 6을 참조하면, 스택/폴딩형 전극조립체들(501, 502)은 대응되는 수납부들(431, 432)에 각각 장착되고, 전해액(600)이 주입되어 전지셀(300)로 제조된다.
전지셀(300)의 수납부들(431, 432)은 도 2의 전지셀(100)에 포함되어 있는 수납부들(231, 232)과는 달리, 스택/폴딩형 전극조립체들(501, 502)을 수납하는 바, 그 형상에 대응하여 보다 각진 형상을 갖는다.
큰 스택/폴딩형 전극조립체(501)는 양극으로부터 연장된 양극단자(531)와 음극으로부터 연장된 음극 탭(532)이 전극리드들(541, 542)에 각각 용접되어 있고, 단락을 방지하기 위해 각각 절연테이프들이 부착되어 있다. 작은 스택/폴딩형 전극조립체(502)는 또한 양극 탭(533)과 음극 탭(534)이 전극리드들(543, 544)에 각각 용접되어 있고, 큰 스택/폴딩형 전극조립체(501)와 유사한 절연테이프들이 부착되어 양극 및 음극단자를 형성한다.
이때, 전극조립체들(501, 502)의 전극단자들은 동일할 방향으로 배열되고, 일부가 외부로 노출된 상태로서, 라미네이트 시트 사이에 개재된 상태로 밀봉된다. 따라서, 전극단자들을 구성하고 있는 전극 탭들(531, 532, 533, 534), 전극리드들(541, 542, 543, 544), 및 절연테이프의 두께로 인해 실링부의 밀봉성을 떨어뜨릴수 있는 바, 전극단자들이 위치하고 있는 방향을 기준으로 반대 방향에 위치하고 있는 라미네이트 시트의 일부를 접어 수납부들을 밀폐한다.
도 7은 도 6에 나타낸 전지셀을 절단한 절단면도들로서, 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전지케이스의 일부를 절곡시킨 전지셀의 절단면도들이다.
도 6과 함께 도 7을 참조하면, 전지셀(a)는 큰 전극조립체(501)를 수납하고 있는 수납부(431)와 작은 전극조립체(502)를 수납하고 있는 수납부(432) 사이에 위치한 이격부(435)는 유연한 라미네이트 시트로 이루어져, 디바이스의 형상에 대응하여 (a) 내지 (c)의 과정에 따라 유연하게 절곡(700)될 수 있다.
절곡(700)되는 부위는 반드시 본체와 덮개의 접합선을 기준으로 수직일 필요는 없으며, 수납부들의 배치상태에 따라 상기 접합선을 기준으로 평행하게, 또는 대각선으로 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 필요에 따라 수납부들이 적층 구조(300’)를 형성하도록 전지케이스가 절곡(700)된 전지셀(c)을 형성하여 다양한 디자인의 디바이스에 용이하게 장착될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (24)

  1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조를 가진 둘 이상의 전극조립체들이 하나의 전지케이스에 내장되어 있으며;
    상기 전지케이스에는 각각의 전극조립체들이 상호 독립적으로 장착되는 수납부들이 전극조립체의 개수의 대응하여 형성되어 있고;
    상기 전극조립체들은 크기가 서로 다르며, 전극단자들을 제외한 전극조립체의 나머지 부위가 각각의 수납부에 전해액이 함침된 상태로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 2개 내지 10개의 전극조립체들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 하기 구조들 중의 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀:
    (i) 양극 시트와 음극 시트가 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤형 구조;
    (ii) 둘 이상의 양극판들과 둘 이상의 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 스택형 구조;
    (iii) 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층 접합되어 있는 둘 이상의 단위셀들이 분리 필름에 의해 권취되어 있는 스택/폴딩형 구조.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단위셀은 양측 외곽의 전극들이 동일한 극성을 가진 바이셀 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 단위셀은 양측 외곽의 전극들이 서로 다른 극성을 가진 풀셀 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체들은 정육면체 형상, 직육면체 형상, 원기둥 형상 및 반구형 형상으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체들은 각각 전기적으로 상호 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전극조립체들은 서로 다른 보호회로부에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 전극조립체들은 서로 다른 디바이스 본체에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체들은 하나의 작동회로부에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 작동회로부는 상대적으로 고충전된 전극조립체를 우선적으로 디바이스 본체에 전기적으로 연결하여 출력용 방전을 유도하는 제 1 회로를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 작동회로부는, 상대적으로 고충전된 전극조립체가 출력용 방전에 의해 설정 전압 이하로 방전되었을 때, 상대적으로 저충전된 전극조립체를 디바이스 본체에 전기적으로 연결하여 출력용 방전을 유도하는 제 2 회로를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 작동회로부는 전극조립체들의 전압 밸런싱을 위해 상대적으로 고충전된 전극조립체와 상대적으로 저충전된 전극조립체의 병렬 연결에 의해 전극조립체들의 전압 밸런싱을 수행하는 제 3 회로를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체들의 전극단자들은 동일한 방향으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부들은 일측 모서리들이 상호 인접하도록 평면 배열된 구조로 전지케이스에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부들이 적층 구조를 형성하도록 전지케이스가 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (i) 서로 다른 크기의 둘 이상의 전극조립체를 준비하는 과정;
    (ii) 전극조립체 각각에 대응하는 형상의 둘 이상의 수납부들이 형성되어 있는 라미네이트 시트를 준비하는 과정;
    (iii) 상기 수납부들에 전극조립체들을 각각 장착하고 전해액을 주입하는 과정; 및
    (iv) 상기 라미네이트 시트의 일부를 접어 수납부들을 밀폐하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트에 형성되어 있는 둘 이상의 수납부들은 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 과정(iv)은 전극조립체의 전극단자들이 위치하고 있는 방향을 기준으로 반대 방향에 위치하고 있는 라미네이트 시트의 일부를 접어 수납부들을 밀폐하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 과정(iv)은 수납부의 외주면에서 라미네이트 시트의 중첩 부위를 열융착시켜 실링하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 과정(iv) 이후에, 각각의 전극조립체를 충방전에 의해 활성화시키고, 상기 활성화에서 발생한 가스를 제거하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  22. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  23. 제 22 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 모바일 디바이스.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 디바이스는 스마트 폰, 스마트폰 케이스, 웨어러블 기기, 스마트 패드, 태블릿 PC, 넷북 또는 노트북 컴퓨터인 것을 특징으로 하는 모바일 디바이스.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180017364A (ko) * 2016-08-09 2018-02-21 주식회사 엘지화학 2차 전지
WO2018062902A1 (ko) * 2016-09-28 2018-04-05 주식회사 엘지화학 수납부 및 전극 리드용 그루브를 포함하는 전지케이스를 구비한 전지셀
KR20180038832A (ko) * 2016-10-07 2018-04-17 주식회사 엘지화학 서로 다른 크기의 단위셀들을 포함하는 파우치형 전지셀
WO2020130595A1 (ko) * 2018-12-18 2020-06-25 주식회사 엘지화학 전지 케이스, 이차 전지 및 그의 제조 방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100614375B1 (ko) * 2005-04-11 2006-08-22 삼성에스디아이 주식회사 접을 수 있는 파우치형 전지
JP2009159726A (ja) * 2007-12-26 2009-07-16 Honda Motor Co Ltd 放電制御装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180017364A (ko) * 2016-08-09 2018-02-21 주식회사 엘지화학 2차 전지
WO2018062902A1 (ko) * 2016-09-28 2018-04-05 주식회사 엘지화학 수납부 및 전극 리드용 그루브를 포함하는 전지케이스를 구비한 전지셀
CN108780857A (zh) * 2016-09-28 2018-11-09 株式会社Lg化学 具有包含收容部和电极引线槽的电池壳的电池单元
US20190044106A1 (en) * 2016-09-28 2019-02-07 Lg Chem, Ltd. Battery cell having battery casing with receiving part and electrode lead groove
US11855296B2 (en) 2016-09-28 2023-12-26 Lg Energy Solution, Ltd. Battery cell having battery casing with receiving part and electrode lead groove
KR20180038832A (ko) * 2016-10-07 2018-04-17 주식회사 엘지화학 서로 다른 크기의 단위셀들을 포함하는 파우치형 전지셀
WO2020130595A1 (ko) * 2018-12-18 2020-06-25 주식회사 엘지화학 전지 케이스, 이차 전지 및 그의 제조 방법

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