KR20160077675A - 전지 케이스로 연결된 전지셀들을 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 전지셀들을 포함하는 전지팩으로서, n개 (3 ≤ n ≤ 20)의 전지셀들이 각각 개별적인 전극조립체 및 전해액에 의해 독립적인 작동 상태를 이루면서 1개의 전지케이스에 의해 상호 연결되어 있고; 상기 전지셀들은, 전지셀들의 상대적으로 넓은 면들이 상호 대면하도록 전지케이스의 연결 부위가 절곡된 상태로, 전지셀 적층체를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 것이다.

Description

전지 케이스로 연결된 전지셀들을 포함하는 전지팩 {Battery Pack Comprising Battery Cells Connected by Battery Case}
본 발명은 전지 케이스로 연결된 전지셀들을 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.
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, 과전류 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 안전소자로서 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자, 보호회로 모듈(Protection Circuit Module: PCM), 또는 배터리 관리 유닛(Battery Management Unit: BMU) 등이 전지셀에 접속되어 있다.
일반적으로, 전지팩은 그것이 장착되는 모바일 디바이스의 구조에 적합한 판상형 전지셀들을 사용하며, 안전소자들은 용접 또는 솔더링 방식으로 전지셀에 연결된다.
전지팩의 고용량화 추세에 따라, 전지팩 내에 하나의 전지셀을 포함하는 경우보다는 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 경우가 많다. 특히, 판상형 전지셀의 경우, 그것의 구조적 특성으로 인해 상대적으로 넓은 면이 서로 대면하도록 적층하여 사용하는 것이 일반적이다.
한편, 이러한 전지팩을 제조하기 위해서는 판상형 전지셀들을 제조한 다음, 각각의 판상형 전지셀들을 적층하고 전기적으로 연결하여 팩 케이스에 수납하는 과정을 거친다.
이러한 과정을 통해 전지팩을 제조하는 경우, 전지셀들의 개수가 증가할수록 일렬로 나란하게 적층하는 것이 용이하지 않고, 적층 과정에 많은 시간과 비용이 소요된다.
또한, 전지팩 내부에서 전지셀들 사이에 고정력이 충분하지 않으므로, 외력이 작용할 때 전지셀들이 정위치에서 이탈할 수 있고, 이 경우 전지셀들의 전기적 접속이 해제되어 전지팩이 단전되는 문제가 발생할 수 있다.
더욱이, 접속이 해제된 전극단자들이 팩 케이스 또는 다른 전극단자들과 접촉하는 경우, 누전 또는 단락이 발생할 수 있어 화재 및 폭발이 발생할 수 있다.
따라서, 전지팩 제조 시 전지셀들의 적층이 용이하고, 전지팩 내에서 전지셀들 사이에 충분한 고정력을 제공할 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, 이후 설명하는 바와 같이, 전지셀들이 각각 독립적인 작동 상태를 이루면서 1개의 전지케이스에 의해 상호 연결되어 있는 경우, 전지셀들의 적층이 용이하고, 전지셀들 사이에 충분한 고정력을 제공하여, 상기한 문제점들을 일거에 해결할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 복수의 전지셀들을 포함하는 전지팩은, n개 (3 ≤ n ≤ 20)의 전지셀들이 각각 개별적인 전극조립체 및 전해액에 의해 독립적인 작동 상태를 이루면서 1개의 전지케이스에 의해 상호 연결되어 있고, 상기 전지셀들은, 전지셀들의 상대적으로 넓은 면들이 상호 대면하도록 전지케이스의 연결 부위가 절곡된 상태로, 전지셀 적층체를 형성하고 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀들을 일일이 적층하지 않고, 권취를 통해 전지셀 적층체를 빠르게 제조할 수 있으므로, 제조 공정을 간소화할 수 있고, 제조 시간을 단축할 수 있다. 또한, 일일이 적층하는 경우에 비해, 전지셀들을 일렬로 적층하는 것이 용이하다.
더욱이, 상기 전지셀들은 전지케이스에 의해 상호 연결되어 있는 상태로 적층되므로, 별도의 고정부재가 전지셀 적층체의 외면을 감싸고 있는 것과 유사한 구조이며, 따라서, 전지셀들 사이에 충분한 위치 고정력을 제공할 수 있다.
다만, 전지셀들의 개수가 너무 적은 경우에는 제조 시간 단축의 효과가 크지 않고, 충분한 고정력을 확보하기 어려우므로, 상기 전지팩은 전지셀들을 적어도 3개 이상, 상세하게는 5개 이상 포함하는 것이 바람직하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 전지셀 별로 전극조립체가 수납될 수 있는 n개의 전극조립체 수납부들이 형성되어 있는 파우치형 케이스일 수 있다.
상세하게는, 상기 파우치형 케이스는 내후성 고분자로 이루어진 외부 피복층, 열융착성 고분자로 이루어진 내부 실란트층, 및 상기 외부 피복층과 내부 실란트 층의 사이에 개재되는 베리어층을 포함하는 라미네이트 시트일 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 베리어층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.
상기 파우치형 케이스를 이용하여 전지셀들을 제조하기 위해서는, 파우치형 케이스에 형성되어 있는 n개의 전극조립체 수납부에 전극조립체를 각각 수납하고, 전해액을 주입한 다음, 활성화 과정을 거칠 수 있다. 활성화 과정을 마친 다음, 각각의 전극조립체 수납부를 열융착 실링하면, 1개의 전지케이스에 의해 상호 연결되어 있는 n개의 개별적인 전지셀들을 제조할 수 있다.
따라서, 상기 전극조립체 수납부들은 각각 열융착 실링부에 의해 밀봉되어 있는 구조일 수 있고, 상기 전지셀들의 연결 부위는 열융착 실링부일 수 있다.
상기 전지셀들은 1개의 전지케이스에 의해 상호 연결되어 있을 뿐, 각각 독립적인 작동 상태를 이루고 있으므로, 연결 부위를 절단하는 경우, 일반적인 전지셀로 이용할 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 전지셀 적층체에서, 제 1 전지셀이 적층 방향을 기준으로 전지셀 적층체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 전지셀과 제 n 전지셀이 전지셀 적층체의 최외곽에 각각 위치하도록, 제 1 전지셀로부터 제 n 전지셀로 순차적으로 권취한 구조일 수 있다.
상기 전지셀들을 권취함에 있어서, 제 1 전지셀로부터 제 n 전지셀로 순차적으로 적층함에 따라, 전지셀 적층체의 두께는 점차 증가하게 되므로, 제 1 전지셀과 제 2 전지셀 사이의 이격 거리보다, 제 2 전지셀과 제 3 전지셀 사이의 이격 거리가 더 길어야 안정적인 적층 상태를 이룰 수 있다.
이러한 이유로, 상기 전지팩은, 전지셀들이 펼쳐져 있는 상태에서, 임의의 n에 대하여, 제 n-1 전지셀과 n 전지셀 사이의 이격 거리는 제 n-2 전지셀과 제 n-1 전지셀 사이의 이격 거리보다 더 큰 구조일 수 있다.
상세하게는, 상기 제 n-1 전지셀과 n 전지셀 사이의 이격 거리는 전지셀 적층체에서 제 n-1 전지셀과 n 전지셀의 높이 차에 대응하고, 상기 제 n-2 전지셀과 n-1 전지셀 사이의 이격 거리는 전지셀 적층체에서 제 n-2 전지셀과 n-1 전지셀의 높이 차에 대응하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 전지셀들의 사이에는 충격 흡수 및 공간 확보를 위해 스페이서 또는 댐핑부재가 개재될 수 있으며, 이때 전지셀들 사이의 이격 거리는 상기 스페이서 또는 댐핑부재의 두께를 포함하는 높이 차에 대응하는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀들은 상대적으로 좁은 면에 외향 돌출된 전극단자들이 위치하고 있는 판상형 전지셀들이고, 상대적으로 넓은 면이 서로 대면하여 적층되어 있는 구조일 수 있고, 상세하게는, 상기 전지셀들은 전극단자들이 동일한 방향에 위치하도록 적층되는 구조일 수 있다.
상기 판상형 전지셀들은 전지팩의 구조에 따라 전극단자들의 위치를 결정할 수 있으며, 하나의 예에서, 상기 판상형 전지셀들은 상대적으로 좁은 일면에 전극단자들이 위치하는 구조일 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 판상형 전지셀들은 상대적으로 좁은 일면에 전극단자들 중 하나가 위치하고, 그것의 대향면에 나머지 전극단자가 위치하는 구조일 수 있다.
또한, 전지팩에서 필요로 하는 전압 범위, 및 용량 범위에 따라서 전지셀들의 전기적 연결 방식이 상이할 수 있으며, 상기 전지셀들은 병렬연결 또는 직렬연결 될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀 적층체에서 전지셀들은 병렬연결이 용이하도록, 적층 방향을 기준으로 동일한 극성의 전극단자들이 일렬로 배열되어 있고, 전극단자들은 단자 접속부재에 의해 병렬연결되어 있는 구조일 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 전지셀 적층체에서 전지셀들은 직렬연결이 용이하도록, 적층 방향을 기준으로 음극단자 및 양극단자가 교번 배열되어 있고, 전극단자들은 단자 접속부재에 의해 직렬연결 되어 있는 구조일 수 있다. 경우에 따라서, 별도의 단자 접속부재 없이, 음극단자와 양극단자가 직접 접속되는 구조도 가능함은 물론이다.
이와 같이, 병렬연결 또는 직렬연결이 용이한 구조를 이룰 수 있도록, 전지셀 제조 시 파우치형 케이스의 전극조립체 수납부에 전극조립체의 음극단자와 양극단자의 위치를 조절하여 수납할 수 있다.
한편, 상기 전지팩은, 안전성을 향상시키고, 전지셀들을 효율적으로 관리하기 위해, 상기 전지셀들과 전기적으로 연결되어 있으며 전지셀들의 작동상태를 관리하는 배터리 관리 유닛(battery management unit)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전지팩은 외부 장치와 전기적으로 연결할 수 있도록 구성된 배터리 커넥터(battery connector)를 더 포함할 수 있고, 상기 전지셀 적층체를 수납하는 팩 케이스를 더 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀들은 전지셀들은 리튬 이차전지, 리튬 이온 전지, 또는 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있다.
상기 전극은 양극과 음극을 통칭하며, 이하, 상기 이차전지의 기타 성분에 대해서 설명한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체에 양극 활물질, 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 300 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 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, LiV3O4, 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 양극 합제 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-부타디엔 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.
반면에, 음극은 음극 집전체에 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 음극 합제를 도포하여 제조될 수 있으며, 이에 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에서 음극 집전체의 두께는 3 내지 300 ㎛의 범위 내에서 모두 동일할 수 있으나, 경우에 따라서는 각각 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 음극 활물질은, 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 마이크로미터고, 두께는 일반적으로 5 ~ 30 마이크로미터다. 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 전해액은 리튬염 함유 비수 전해질일 수 있고, 상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 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 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 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 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해질에는 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩에 포함되는 전지셀 적층체, 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 전지셀 적층체는 복수의 전지셀들을 포함하며, n개 (3 ≤ n ≤ 20)의 전지셀들이 각각 개별적인 전극조립체 및 전해액에 의해 독립적인 작동 상태를 이루면서 1개의 전지케이스에 의해 상호 연결되어 있고, 상기 전지셀들은, 전지셀들의 상대적으로 넓은 면들이 상호 대면하도록 전지케이스의 연결 부위가 절곡된 상태로 적층되어 있는 구조일 수 있다.
한편, 상기 디바이스는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템 등일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀들이 독립적인 작동 상태를 이루면서 1개의 전지케이스에 의해 상호 연결되어 있으므로, 전지팩 제조 시 권취에 의한 전지셀들의 적층이 용이하고, 제조 시간을 단축할 수 있으며, 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 전지팩 내에서 전지셀들 사이에 충분한 고정력을 제공하므로, 외력에 의해 전지셀들이 정위치에서 이탈하는 것을 방지할 수 있어, 전지팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 전지셀의 전극조립체와 전지케이스를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀들을 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 3은 도 2의 전지셀들에 포함되는 전극조립체 및 전지케이스를 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 4는 도 2의 전지셀들을 권취하여 전지셀 적층체를 제조하는 과정을 모식적으로 나타낸 수지단면도이다;
도 5는 도 4의 과정에 따라 제조된 전지셀 적층체를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 6은 도 5의 전지셀 적층체에서 전지셀들 사이의 이격 거리를 보다 구체적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀들을 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 8은 도 7의 전지셀들을 권취한 전지셀 적층체를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 9는 도 8의 전지셀 적층체의 전지셀들을 직렬연결한 구조를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다.
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 일반적인 전지셀의 전극조립체와 전지케이스의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극조립체(100)은 적층부(110), 전극탭(120), 전극리드(130), 및 리드테이프(140)을 포함하고 있고, 전지케이스(200)은 전극조립체 수납부(210), 라미네이트 시트의 외부 피복층(220), 내부 실란트층(222), 및 커버부(230)를 포함하고 있다.
구체적으로, 전극조립체(100)은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조가 하나 이상 반복적으로 적층되어 있는 판상형의 적층부(110)를 포함하고 있으며, 양극과 음극 집전체에 형성되어 있는 전극탭들(120)이 전극조립체(100)의 상대적으로 좁은면에 돌출되어 있다.
동일한 극성의 전극탭들(120)이 각각 군집을 이루고 있으며, 각각의 전극탭들(120)은 전극리드(130)와 전기적으로 연결되어 있고, 전극리드(130)에는 전지케이스(200)과의 밀봉성을 향상시키기 위한 리드테이프(140)가 부착되어 있다.
전지케이스(200)는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스로, 라미네이트 시트의 외부에는 내후성 고분자로 이루어진 피복층(220), 내부에는 열융착성 고분자로 이루어진 실란트층(222)이 형성되어 있으며, 외부 피복층(220)과 내부 실란트층(222)의 사이에는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 베리어층이 형성되어 있다.
전지케이스(200)에는 전극조립체(100)와 전해액을 함께 수납할 수 있도록, 전극조립체 수납부(210)가 형성되어 있고, 전극조립체(100)와 전해액을 수납한 채로, 커버부(230)로 전극조립체 수납부(210)를 덮은 다음, 내부 실란트층(222)을 열융착하여 밀봉하면, 하나의 독립된 전지셀을 제조할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀들을 나타낸 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전지셀들에 포함되는 전극조립체 및 전지케이스를 나타낸 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 4개의 판상형의 전지셀들(400, 500, 600, 700)은 1개의 전지케이스(300)에 의해 상호 연결되어 있으며, 제 1 전지셀(400)의 상대적으로 좁은 면에는 전극리드들의 단부가 돌출되어 전극단자들(430)을 형성하고 있고, 밀봉성 향상을 위한 리드테이프(440)가 전극리드와 전지케이스(300) 사이에 개재되어 있다. 제 2 내지 4 전지셀들(500, 600, 700)도 각각 전극단자들과 리드테이프를 포함하는 점에서 제 1 전지셀(400)과 유사한 구조를 가지고 있다.
각각의 전지셀들(400, 500, 600, 700)의 외측은 열융착에 의해 밀봉되어 있으며, 열융착에 의해 생성된 실링부들(321, 322, 323, 324)은 전지셀들(400, 500, 600, 700) 사이에 형성되어 있는 내측 실링부(322, 323, 324)의 폭이 전지케이스(300)의 외측에 형성되어 있는 외측 실링부(321)의 폭보다 넓게 형성되어 있다.
전지셀들(400, 500, 600, 700)을 제조하기 위해서는, 4개의 전극조립체 수납부들(311, 312, 313, 314)이 형성되어 있는 전지케이스(300)에 전극조립체(100)를 각각 하나씩 수납하고, 전해액을 주입한 다음, 커버부(330)로 전극조립체 수납부(311, 312, 313, 314)를 덮고 열융착하여 밀봉하는 과정을 거치게 된다.
도 4에는 도 2의 전지셀들을 권취하여 전지셀 적층체를 제조하는 과정을 나타낸 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 과정에 따라 제조된 전지셀 적층체의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2, 도 4, 및 도 5를 참조하면, 1개의 전지케이스(300)로 연결된 전지셀들(400, 500, 600, 700)이 우측부터 차례대로 제 1 전지셀(400), 제 2 전지셀(500), 제 3 전지셀(600) 및 제 4 전지셀(700)의 순서로 위치하고 있다.
구체적으로, 각각의 전지셀들(400, 500, 600, 700)은 양극 및 음극을 포함하고 있으며, 권취 후에 적층 방향을 기준으로 동일한 극성의 전극단자들이 일렬로 배열될 수 있도록 우측으로부터 양극, 음극, 음극, 양극, 양극, 음극, 음극, 양극의 순서로 배치되어 있다.
전지셀들(400, 500, 600, 700)의 권취 과정의 이해를 돕기위해 커버부(330)는 음영으로 표시하였으며, 제 1 전지셀(400)과 제 2 전지셀(500) 사이에는 제 1 열융착 실링부(322)를 통해 연결되어 있고, 이와 유사하게 제 2 전지셀(500)과 제 3 전지셀(600) 사이에는 제 2 열융착 실링부(323), 제 3 전지셀(600)과 제 4 전지셀(700)의 사이에는 제 3 열융착 실링부(324)가 위치하고 있다.
제 1 전지셀의 상면이 제 2 전지셀(500)의 상면과 대면하도록, 제 1 전지셀(400)을 반시계 방향으로 회전시키면, 제 1 전지셀(400)과 제 2 전지셀(500)의 연결부위인 제 1 열융착 실링부(322)가 절곡된 상태가 되고, 제 1 전지셀(400)의 하면은 위를 향하게 된다.
다음으로, 제 1 전지셀(400)의 하면이 제 3 전지셀(500)의 상면과 대면하도록 다시 반시계 방향으로 회전시키면, 제 2 열융착 실링부(323)가 절곡된 상태가 되고, 제 2 전지셀(500)의 하면이 위를 향하게 된다.
이와 같은 방법으로, 제 1 전지셀(400)으로부터 제 4 전지셀(700)까지 연속적으로 권취한 다음, 권취한 구조를 유지할 수 있도록 전지케이스(300)의 제 4 전지셀(700) 측 단부에 고정부재(810)를 부착하여, 전지셀 적층체(800)를 제조하였다.
전지셀 적층체(800)는 4개의 전지셀들(400, 500, 600, 700)의 상대적으로을 넓은 면들이 상호 대면하도록, 적층되어 있고, 최외곽에는 제 3 전지셀(600) 및 제 4 전지셀(700)이 위치하고, 내부에는 제 1 전지셀(400) 및 제 2 전지셀(500)이 위치한다.
전지셀 적층체(800)에서, 전극단자들은 적층 방향을 기준으로 동일한 극성의 전극단자들이 일렬로 배열되어 있어 병렬연결에 유리한 구조를 가지고 있고, 전지셀 적층체(800)의 두께에 대응되는 길이의 버스바를 2개 이용하여, 동일한 극성의 전극단자들을 각각 연결하여 병렬 연결할 수 있다.
도 6에는 도 5의 전지셀 적층체에서 전지셀들 사이의 이격 거리를 보다 구체적으로 나타낸 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
전지셀 적층체(800)는 권취가 진행됨에 따라 나중에 권취되는 전지셀들은 높이 차가 증가하게 되는 구조이며, 따라서, 나중에 권취되는 전지셀들 사이의 이격 거리가 증가되도록 구성되어야 연결 부위에 과도한 스트레스를 주지 않고 안정적인 권취가 가능하다.
도 4와 비교하여 도 6을 참조하면, 제 1 전지셀(400)과 제 2 전지셀(500) 사이에는 높이 차이가 크게나지 않지만, 제 2 전지셀(500)과 제 3 전지셀(600) 사이에는 제 1 높이 차(h1)가 존재하고, 제 3 전지셀(600)과 제 4 전지셀(700) 사이에는 제 1 높이 차(h1)보다 큰 제 2 높이 차(h2)가 존재한다. 따라서, 전지셀들(400, 500, 600, 700) 사이의 이격 거리(d1, d2)는 제 1 전지셀(400)로부터 제 4 전지셀(700)로 갈수록 증가하도록 구성되어 있다.
구체적으로, 제 2 전지셀(500)과 제 3 전지셀(600) 사이의 제 1 이격 거리(d1)는 제 2 전지셀(500)과 제 3 전지셀(600) 사이에는 제 1 높이 차(h1)에 대응하고, 제 3 전지셀(600)과 제 4 전지셀(700) 사이의 제 2 이격 거리(d2)는 제 2 높이 차(h2)에 대응하도록 구성되어 있다.
한편, 상기 전지셀들(400, 500, 600, 700)의 사이에는 스페이서(도시하지 않음)가 개재될 수 있고, 스페이서의 두께차를 포함하여 전지셀들(400, 500, 600, 700) 사이의 높이 차(h1, h2)가 각각 증가할 수 있다. 이 경우, 전지셀들(400, 500, 600, 700) 사이의 이격 거리(d1, d2)는 스페이서의 두께에 의해 증가한 높이 차(h1, h2)에 대응하여 각각 증가할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀들의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 8에는 도 7의 전지셀들을 권취한 전지셀 적층체의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 9에는 도 8의 전지셀 적층체의 전지셀들을 직렬연결한 구조를 나타낸 수진단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
우선, 도 4 및 도 5와 비교하여 도 7 및 도 8을 참조하면, 1개의 전지케이스로 연결된 전지셀들(400, 500, 600, 700)이 우측부터 차례대로 제 1 전지셀(400), 제 2 전지셀(500), 제 3 전지셀(600) 및 제 4 전지셀(700)의 순서로 위치하고 있다.
구체적으로, 각각의 전지셀들(400, 500, 600, 700)은 양극 및 음극을 포함하고 있으며, 권취 후에 적층 방향을 기준으로 음극단자 및 양극단자가 교번 배열될 수 있도록, 우측으로부터, 양극, 음극, 양극, 음극, 음극, 양극, 음극, 양극의 순서로 배치되어 있다.
도 4의 전지셀들과 같이 반시계 방향으로 전지셀들을 권취하고, 전지케이스(300)의 제 4 전지셀(700) 측 단부에 고정부재(810)를 부착하여, 도 8의 전지셀 적층체(800a)를 제조하였다.
전지셀 적층체(800a)는 4개의 전지셀들(400, 500, 600, 700)의 상대적으로을 넓은 면들이 상호 대면하도록, 적층되어 있고, 최외곽에는 제 3 전지셀(600) 및 제 4 전지셀(700)이 위치하고, 내부에는 제 1 전지셀(400) 및 제 2 전지셀(500)이 위치한다.
전지셀 적층체(800)에서, 전극단자들은 적층 방향을 기준으로 양극단자 및 음극단자가 교번 배열되어 있어서, 직렬연결에 유리한 구조를 가지고 있다.
다음으로, 도 9를 참조하면, 단자 접속부재들(821, 822, 823)에 의해 전지셀들(400, 500, 600, 700)의 전극단자들이 직렬연결되어 있다.
구체적으로, 제 3 전지셀(600)의 음극단자와 제 1 전지셀(400)의 양극단자가 단자 접속부재(821)에 의해 전기적으로 연결되어 있고, 제 1 전지셀(400)의 음극단자와 제 2 전지셀(500)의 양극단자가 단자 접속부재(822)에 의해 전기적으로 연결되어 있으며, 제 2 전지셀(500)의 음극단자와 제 4 전지셀(700)의 양극단자가 단자 접속부재(823)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 그러나, 단자 접속부재들(821, 822)를 별도로 사용하지 않고, 전극단자들의 직접적인 접속, 예를 들어, 전극단자들을 절곡한 후 절곡된 면을 상호 밀착한 상태에서 용접, 솔더링, 또는 기계적 체결에 의해 직접 연결하는 방식으로 직렬 연결이 이루어질 수도 있다.
제 3 전지셀(600)의 양극단자와 제 4 전지셀(700)의 음극단자는 베터리 관리 유닛(도시하지 않음)에 전기적으로 연결될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 복수의 전지셀들을 포함하는 전지팩으로서,
    n개 (3 ≤ n ≤ 20)의 전지셀들이 각각 개별적인 전극조립체 및 전해액에 의해 독립적인 작동 상태를 이루면서 1개의 전지케이스에 의해 상호 연결되어 있고,
    상기 전지셀들은, 전지셀들의 상대적으로 넓은 면들이 상호 대면하도록 전지케이스의 연결 부위가 절곡된 상태로, 전지셀 적층체를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 전지셀 별로 전극조립체가 수납될 수 있는 n개의 전극조립체 수납부들이 형성되어 있는 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전극조립체 수납부들은 각각 열융착 실링부에 의해 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 파우치형 케이스는 내후성 고분자로 이루어진 외부 피복층, 열융착성 고분자로 이루어진 내부 실란트층, 및 상기 외부 피복층과 내부 실란트 층의 사이에 개재되는 베리어층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 베리어층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체에서, 제 1 전지셀이 적층 방향을 기준으로 전지셀 적층체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 전지셀과 제 n 전지셀이 전지셀 적층체의 최외곽에 각각 위치하도록, 제 1 전지셀로부터 제 n 전지셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전지팩은, 전지셀들이 펼쳐져 있는 상태에서, 임의의 n에 대하여, 제 n-1 전지셀과 n 전지셀 사이의 이격 거리는 제 n-2 전지셀과 제 n-1 전지셀 사이의 이격 거리보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 n-1 전지셀과 n 전지셀 사이의 이격 거리는 전지셀 적층체에서 제 n-1 전지셀과 n 전지셀의 높이 차에 대응하고, 상기 제 n-2 전지셀과 n-1 전지셀 사이의 이격 거리는 전지셀 적층체에서 제 n-2 전지셀과 n-1 전지셀의 높이 차에 대응하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 상대적으로 좁은 면에 외향 돌출된 전극단자들이 위치하고 있는 판상형 전지셀들이고, 상대적으로 넓은 면이 서로 대면하여 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전지셀들은 전극단자들이 동일한 방향에 위치하도록 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀들은 상대적으로 좁은 일면에 전극단자들이 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀들은 상대적으로 좁은 일면에 전극단자들 중 하나가 위치하고, 그것의 대향면에 나머지 전극단자가 위치하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체에서 전지셀들은 적층 방향을 기준으로 동일한 극성의 전극단자들이 일렬로 배열되어 있고, 전극단자들은 단자 접속부재에 의해 병렬연결 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체에서 전지셀들은 적층 방향을 기준으로 음극단자 및 양극단자가 교번 배열되어 있고, 전극단자들은 단자 접속부재에 의해 직렬연결 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들과 전기적으로 연결되어 있으며 전지셀들의 작동상태를 관리하는 배터리 관리 유닛(battery management unit)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 외부 장치와 전기적으로 연결할 수 있도록 구성된 배터리 커넥터(battery connector)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전지셀 적층체를 수납하는 팩 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 리튬 이차전지, 리튬 이온 전지, 또는 리튬 이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 1 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  21. 복수의 전지셀들을 포함하는 전지셀 적층체로서,
    n개 (3 ≤ n ≤ 20)의 전지셀들이 각각 개별적인 전극조립체 및 전해액에 의해 독립적인 작동 상태를 이루면서 1개의 전지케이스에 의해 상호 연결되어 있고,
    상기 전지셀들은, 전지셀들의 상대적으로 넓은 면들이 상호 대면하도록 전지케이스의 연결 부위가 절곡된 상태로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 적층체.
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WO2023200264A1 (ko) * 2022-04-15 2023-10-19 주식회사 엘지에너지솔루션 하이브리드 배터리셀 및 이를 포함하는 하이브리드 배터리모듈

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