KR20160114266A - 용접용 셀 홀더를 포함하는 전지팩 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 단위셀들의 전극단자들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서, 전극단자들이 단위셀의 양단에 각각 형성되어 있고, 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되도록 측면들이 상호 인접하면서 배열되어 있는 둘 이상의 단위셀들; 상기 단위셀들의 양단에 각각 형성되어 있는 전극단자들에 용접 방식으로 접속되는 복수개의 도전성 접속부재들; 및 상기 단위셀들의 양단에 각각 결합되고, 상기 접속부재들이 정위치 고정된 상태로 장착되어 있으며, 단위셀들의 양단 외면에 대응하는 내면 구조를 가진 단위셀 결합홈들이 형성되어 있는 한 쌍의 셀 홀더들(cell holders);을 포함하고 있으며, 상기 접속부재들은 단위셀들에 대향하는 셀 홀더들의 외면에 장착되어 있고, 각각의 단위셀 결합홈에는 전극단자가 접속부재에 접촉되어 용접되기 위한 위치에 용접용 관통구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

용접용 셀 홀더를 포함하는 전지팩 및 그것을 제조하는 방법 {Battery Pack Comprising Welding Cell Holder and Method for Assembling the Same}

본 발명은 용접용 셀 홀더를 포함하는 전지팩 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.

이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지셀의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 전지모듈의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지셀 1 개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(portable DVD), 소형 PC, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 전지모듈의 사용이 요구된다.

전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 및/또는 병렬로 배열하여 연결한 전지팩에 보호회로 등을 접속함으로써 제조된다. 단위전지로서 각형 또는 파우치형 전지를 사용하는 경우에는 넓은 면들이 서로 대면하도록 적층한 후 전극단자들을 버스 바 등의 접속부재에 의해 연결하여 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 육면체 구조의 입체형 전지모듈을 제조하는 경우에는 각형 또는 파우치형 전지가 단위전지로서 유리하다.

반면에, 원통형 전지는 일반적으로 각형 및 파우치형 전지보다 큰 전기용량을 가지지만, 원통형 전지의 외형적 특성상 적층구조로의 배열이 용이하지 않다. 그러나, 전지모듈의 형상이 전체적으로 선형 또는 판상형 구조일 때 각형 또는 파우치형 보다 구조적으로 잇점이 있다.

따라서, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD, 소형 PC 등의 경우에는 다수의 원통형 전지들을 병렬 및/또는 직렬방식으로 연결한 전지팩을 전지모듈의 제조에 많이 사용하고 있다. 그러한 전지팩으로는, 예를 들어, 2P(병렬)-3S(직렬)의 선형 구조, 2P-3S의 판상형 구조, 2P-4S의 선형 구조, 2P-4S의 판상형 구조 등이 사용되고 있다.

병렬방식의 연결 구조는, 전극단자들이 동일한 방향을 향하도록 배향한 상태에서 둘 또는 그 이상의 원통형 전지들을 그것의 측면방향으로 인접하게 배열하여, 접속부재로 용접함으로써 달성된다. 이러한 병렬방식의 원통형 전지들을 “뱅크(bank)”로 칭하기도 한다.

직렬방식의 연결구조는, 서로 반대 극성의 전극단자들을 연속되도록 둘 또는 그 이상의 원통형 전지들을 길게 배열하거나, 또는 전극단자들이 서로 반대 방향을 향하도록 배열한 상태에서 둘 또는 그 이상의 원통형 전지들을 측면방향으로 인접하게 배열하여, 접속부재로 용접함으로써 달성된다. 이러한 원통형 전지들의 전기적 연결에는 일반적으로 니켈 플레이트 등과 같은 얇은 판상형 접속부재를 사용하여 스팟 용접을 행하고 있다.

그러나, 다수의 원통형 전지들의 전극단자들에 판상형 접속부재를 용접하는 과정은, 원통형 전지들의 구조적 특성상 매우 복잡하고 정교한 작업공정으로서 많은 시간을 필요로 한다.

도 1 및 도 2에는 접속부재를 사용하여 2P-3S 선형 구조의 전지팩을 제조하는 과정의 도면들이 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 우선 지그(10)에 전지들(20, 21)을 고정하고 전지(20)의 단자상에 접속부재(30)를 위치시킨 뒤 용접 팁(40)으로 스팟 용접을 행한다. 이들 전지들(20, 21)은 병렬방식으로 연결되어 하나의 뱅크를 이룬다. 그런 다음, 도 2에서와 같이, 다른 쌍의 병렬 전지들(22, 23)을 스팟 용접하는데, 제 1 병렬 전지 쌍(20, 21)과 제 2 병렬 전지 쌍(22, 23)을 직렬로 연결하기 위해서는, 이들을 90도로 위치시킨 다음, 접속부재(30)도 90도로 꺾어 용접하여야 한다. 따라서, 이러한 작업을 수행하기 위해서는 특수한 구조의 지그와 매우 숙련된 기술을 필요로 하고 작업시간이 많이 소요된다.

또한, 전지팩의 구조가 변경될 때마다 그에 대응하는 새로운 구조의 접속부재가 요구되는 바, 일반적인 지그는 접속부재를 고정시키는 고정부와 접속부재가 안착되는 안착부가 일체형으로 되어있어 모델별 형태가 크게 차이 나지 않음에도 불구하고, 제조하고자 하는 전지팩의 구조에 따라 지그 전체를 새로 제작하거나, 기존 지그를 분해, 개조하여 새로운 구조의 접속부재가 사용되는 전지팩을 제조하고 있다. 이는 지그의 관리적 측면 및 전지팩 제조의 비용적 측면에서 매우 비효율적인 문제점이 있다.

최근에는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 직렬 또는 병렬로 배열되어 있는 전지들을 상기 전지들의 외면에 대응하는 일련의 반원통형 내면이 형성되어 있는 형틀에 장착하고, 접속부재들이 장착되어 있는 용접용 지그 사이에 고정한 후 스팟 용접을 수행하는 방법이 제안되고 있다.

그러나, 일반적으로 상기 접속부재들은 용접 이후 제거가 용이하게 하기 위하여 용접용 지그에 자석을 이용하여 장착하는 방법을 사용하고 있고, 이러한 경우, 접속부재를 니켈 등과 같은 소재로 사용할 시에는 문제가 없으나, 구리 등의 소재를 사용하기 위해서는 특수한 소재 및 구조의 지그를 사용하여야 하므로 효율적이지 못하다.

또한, 상기 형틀 및 지그는 스팟 용접이 완료된 이후에 제거하는 작업을 추가적으로 수행해야 하므로, 전지팩의 제조 시간이 증가하는 문제점이 있으므로 바람직하지 않다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 접속부재들이 정위치 고정된 상태로 장착되어 있으며, 단위셀들의 양단 외면에 대응하는 내면 구조를 가진 단위셀 결합홈들이 형성되어 있는 한 쌍의 셀 홀더들을 포함하도록 구성함으로써, 종래에 형틀에 단위셀들을 안착시키고, 접속부재들이 장착되어 있는 구조의 용접용 지그를 사용하여 용접 작을 수행하는 구조에 비해서 간단한 구조의 셀 홀더들에 의해 용접 작업을 단시간 내에 용이하게 수행할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 전지팩의 제조 공정성을 향상시키고, 단위셀들을 전기적으로 안전하게 연결시킬 수 있는 전지팩 및 그것을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은 복수의 단위셀들의 전극단자들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서,

전극단자들이 단위셀의 양단에 각각 형성되어 있고, 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되도록 측면들이 상호 인접하면서 배열되어 있는 둘 이상의 단위셀들;

상기 단위셀들의 양단에 각각 형성되어 있는 전극단자들에 용접 방식으로 접속되는 복수개의 도전성 접속부재들; 및

상기 단위셀들의 양단에 각각 결합되고, 상기 접속부재들이 정위치 고정된 상태로 장착되어 있으며, 단위셀들의 양단 외면에 대응하는 내면 구조를 가진 단위셀 결합홈들이 형성되어 있는 한 쌍의 셀 홀더들(cell holders);

을 포함하고 있으며,

상기 접속부재들은 단위셀들에 대향하는 셀 홀더들의 외면에 장착되어 있고, 각각의 단위셀 결합홈에는 전극단자가 접속부재에 접촉되어 용접되기 위한 위치에 용접용 관통구가 천공되어 있는 구조로 구성된다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 접속부재들이 정위치 고정된 상태로 장착되어 있으며, 단위셀들의 양단 외면에 대응하는 내면 구조를 가진 단위셀 결합홈들이 형성되어 있는 한 쌍의 셀 홀더들을 포함하도록 구성함으로써, 종래에 형틀에 단위셀들을 안착시키고, 접속부재들이 장착되어 있는 구조의 용접용 지그를 사용하여 용접 작을 수행하는 구조에 비해서 간단한 구조의 셀 홀더들에 의해 용접 작업을 단시간 내에 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 각각의 셀 홀더에는, 셀 홀더의 외면에 접속부재들이 장착될 수 있도록, 접속부재들의 형상에 대응하는 안착홈들이 형성되어 있는 구조로 구성될 수 있다.

이때, 상기 셀 홀더와 접속부재간의 결합 방식은 셀 홀더의 안착홈에 대한 접속부재의 안정적 장착을 위해, 상기 안착홈의 중앙 부위에 외향 돌출형의 안착용 돌출부가 1개 이상 형성되어 있고, 상기 접속부재에 안착용 돌출부가 도입될 수 있는 크기의 안착용 개구가 천공되어 있는 구조로 구성되어 결합을 이룰 수 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 안착홈에 장착된 접속부재가 정위치 고정될 수 있도록, 상기 안착홈에는 복수개의 체결용 돌기들이 추가적으로 외향 돌출되어 있고, 상기 접속부재에는 체결용 돌기들이 도입되어 소성 변형에 의해 결합될 수 있는 체결용 관통구들이 추가적으로 천공되어 있는 구조로 구성될 수 있다.

상기 안착용 돌출부는 용접용 관통구가 위치하지 않는 잉여 공간에 형성될 수 있으며, 안착용 돌출부의 단부가 열융착에 의해 소성 변형되어 결합되기 위한 크기로서, 예를 들어, 1.0 내지 5.0 mm 직경의 원통형 형상인 것이 바람직하다.

상기 체결용 돌기들은 체결용 관통구들에 도입된 상태에서, 체결용 돌기들의 돌출 단부들이 열융착에 의해 소성 변형되어 결합되는 구조로 구성되어 셀 홀더와 접속부재간에 안정적으로 결합되는 구조일 수 있다.

한편, 상기 단위셀들은 한 쌍의 셀 홀더들이 단위셀들의 양단에 결합된 상태에서 최외곽 단위셀들의 외면 일부가 노출되는 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 셀 홀더들의 높이는 단위셀들의 높이를 기준으로 10% 내지 30%의 길이로 이루어진 구조일 수 있다.

이때, 노출된 단위셀들의 외면에는 보호회로 등의 안전 부재들이 장착되는 공간으로 활용될 수 있으므로, 전지팩에 상기와 같은 안전 부재들을 장착하기 위한 별도의 공간을 추가하여 전지팩의 부피가 커지는 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 상기 셀 홀더들은 전극단자들과 접속부재들 사이의 용접에 의해 단위셀들 양단에 고정되어 팩 케이스를 구성하여 별도의 전지팩용 케이스를 추가할 필요가 없이 외면에 절연용 보호 테이프 등을 부가하여 전지팩을 구성할 수 있다.

상기 단위셀은 연속적인 충방전이 가능한 이차전지로서, 각형 전지셀, 원통형 전지셀 등 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 원통형 전지셀일 수 있다.

상기 단위셀들은 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있는 구조라면 단위셀들의 연결방식은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 병렬 방식, 또는 직렬 방식, 또는 병렬 및 직렬 방식으로 다양하게 연결하여 구성될 수 있고, 여기서 단위셀들의 수는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 2열 2행 이상의 구조로 배열되는 4 ~ 20 개일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 단위셀들은 병렬 방식으로 연결되어 있고, 동일한 극성의 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되어 있으며, 복수개의 접속부재들이 양극과 음극에 각각 접속되어 있는 구조일 수 있다.

또 하나의 구체적인 예에서, 상기 단위셀들은 직렬 방식으로 연결되어 있고, 서로 다른 극성의 전극단자들이 교번 방식으로 배향되어 있으며, 접속부재들이 단위셀들의 직렬 연결부위에 각각 접속되어 있는 구조일 수도 있다.

또한, 상기 단위셀들은 병렬 방식 연결과 직렬 방식의 연결을 동시에 포함하고 있고, 둘 또는 그 이상의 단위셀들이 병렬 연결 단위로서 뱅크(bank)를 형성하며, 상기 뱅크들이 직렬 방식 연결을 위해 서로 다른 극성의 전극단자들이 교번 방식으로 배향되어 있고, 접속부재들이 단위셀들의 병렬 연결 부위와 뱅크들의 직렬 연결부위에 접속되어 있는 구조일 수도 있다.

상기 구조에서, 뱅크에서의 단위셀들의 병렬 방식 연결과 인접 뱅크와의 직렬 방식 연결은 바람직하게는 하나의 접속 부재에 의해 달성될 수 있다.

이러한 구조에서 접속부재는 일 측의 셀 홀더에서 병렬 연결하는 복수개의 단위셀들에 대응 하는 크기로 형성되고, 타 측에서 상기 병렬 연결되어 있는 단위셀들을 직렬 연결하기 위한 위치에 형성되는 구조일 수 있다.

이러한 구조에서는, 다수의 병렬 방식 연결과 직렬 방식 연결을 위하여 다양한 크기 및 형태의 접속부재들이 각각 셀 홀더의 안착홈에 구획되어 배치되는 구조로 구성될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 접속부재에 의해 다양한 연결 방식의 고출력 대용량의 전지팩을 구성할 수 있으므로 매우 바람직하다.

상기 접속부재는 니켈, 구리, 납, 니켈-알루미늄 합금 등 다양한 소재일 수 있으며, 구체적으로 접속부재는 다수의 단위셀들을 연결하기 위해서 저항이 낮은 소재로 이루어진 것이 바람직하므로, 예를 들어, 니켈 또는 구리 소재로 이루어진 것일 수 있다.

또한, 전극단자들과 접속부재들의 용접은 저항 용접, 레이저 용접 또는 초음파 용접에 의해 달성될 수 있다.

한편, 상기 접속부재들 중에서 어느 하나 이상의 접속부재의 일측 단부에는 직렬 연결부위의 전압을 검출할 수 있는 전압검출용 단자가 연장되어 있는 구조로 구성될 수 있다.

상기 구조에서, 전압검출용 단자는 셀 홀더의 외측면으로 노출되도록, 셀 홀더의 외면 형상에 대응하여 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 보다 콤팩트한 전지팩을 이룰 수 있다.

상기 셀 홀더의 소재는 절연성의 플라스틱 소재로 이루어질 수 있고, 플라스틱 소재의 종류는 특별히 제한이 없으며, 예를 들어, 폴리카보네이트(PC) 수지 또는 폴리카보네이트 아크릴로니틀릴 부타디엔 스티렌(PCABS) 수지 소재로 구성될 수 있다.

이러한 소재의 셀 홀더는 사출 성형에 의해 단위셀들의 양단 외면에 대응하는 내면 구조를 가진 단위셀 결합홈들, 접속부재들의 형상에 대응하는 안착홈들 및 안착홈에 대한 접속부재의 안정적 장착을 위한 안착용 돌출부가 형성된 구조로 제조 가능하며, 필요한 경우, 셀 홀더로부터 단위셀들 사이의 잉여 공간 방향으로 돌출되어 있는 구조물들을 형성하여, 단위셀들과 셀 홀더의 결합을 안정적으로 수행하는 구조로 형성하는 것이 가능하다.

본 발명은 또한, 상기 전지팩을 제조하는 방법으로서,

(a) 셀 홀더들의 체결용 돌기들이 접속부재들의 체결용 관통구들 사이를 관통된 형태로 셀 홀더의 안착홈에 접속부재들을 안착시키는 과정;

(b) 체결용 돌기들이 체결용 관통구들을 통해 돌출된 상태에서 체결용 돌기의 단부를 열융착하여 셀 홀더들과 접속부재들을 결합하여 고정하는 과정;

(c) 접속부재들이 결합된 셀 홀더들을 단위셀들의 양단에 결합하는 과정; 및

(d) 셀 홀더들의 용접용 관통구들을 통해 단위셀들의 전극단자들과 접속부재들 사이를 용접하는 과정;

을 포함하는 전지팩 제조방법을 제공할 수 있다.

일반적으로 상기 단위셀들은 리튬 이차전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.

참고로, 리튬 이차전지는 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 Li_1+xMn_2-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 LiNi_1-xM_xO₂ (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 LiMn_2-xM_xO₂ (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; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe’_yO_z (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 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거, 에너지 저장 시스템 또는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 중에서 선택되는 하나일 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, 접속부재들이 정위치 고정된 상태로 장착되어 있으며, 단위셀들의 양단 외면에 대응하는 내면 구조를 가진 단위셀 결합홈들이 형성되어 있는 한 쌍의 셀 홀더들을 포함하도록 구성함으로써, 종래에 형틀에 단위셀들을 안착시키고, 접속부재들이 장착되어 있는 구조의 용접용 지그를 사용하여 용접 작을 수행하는 구조에 비해서 간단한 구조의 셀 홀더들에 의해 용접 작업을 단시간 내에 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 종래기술에 따라 접속부재를 전지를 연결하는 과정에 대한 모식도들이다;
도 3는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 셀 홀더에 대한 모식도이다;
도 4는 상기 도 3의 A 부위에 대한 확대도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에 대한 모식도이다.

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 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 셀 홀더에 대한 모식도가 도시되어 있고, 도 4 에는 도 3의 A 부위에 대한 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 셀 홀더(100)는 폴리 카보네이트 소재로 구성되며, 단위셀들의 일측 또는 타측에 결합되고, 구리 또는 니켈 소재의 접속부재들(111, 112)이 정위치 고정된 상태로 장착되는 구조로 구성되며, 단위셀들의 일측 또는 타측 외면에 대응하는 내면 구조를 가진 단위셀 결합홈들(121, 122)이 형성되어 있다.

상기 접속부재들(111, 112)에는 단위셀들의 전극단자와 접촉하기 위한 대응 부위에 용접을 용이하게 하기 위한 복수개의 슬릿들(131, 132)을 포함하고 있으며, 단위셀들에 대향하는 셀 홀더(100)의 외면에 장착되는 구조로 구성되고, 셀 홀더(100)의 내면에 단위셀 결합홈들(121, 122)은 전극단자가 접속부재들(111, 112)에 접촉되어 용접되기 위한 위치에 용접용 관통구들(140)이 천공되어 있는 구조로 구성된다.

셀 홀더(100)에는 외면에 접속부재들(111, 112)이 장착될 수 있도록, 접속부재들(111, 112)의 형상에 대응하는 안착홈들(151, 152)이 형성되어 있고, 상기 안착홈들(151, 152)에 대한 접속부재(111)의 안정적 장착을 위해, 안착홈 (151)의 중앙 부위에는 외향 돌출형의 안착용 돌출부들(161)이 형성되어 있으며, 접속부재(111)에는 안착용 돌출부들(161)이 도입될 수 있는 크기의 안착용 개구들(163, 164)이 천공되어 있다.

또한, 안착홈들(151, 152)에 장착된 접속부재들(111, 112)이 정위치 고정될 수 있도록, 상기 안착홈들(151, 152)에는 복수개의 체결용 돌기들(171, 172)이 외향 돌출되어 있고, 상기 접속부재들(111, 112)에는 체결용 돌기들(171, 172)이 도입되어 소성 변형에 의해 결합될 수 있는 체결용 관통구들(173, 174)이 천공되어 있다.

이때, 접속부재들(111, 112)과 셀 홀더(100)와의 결합은, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 셀 홀더(100)의 안착홈(151)에 접속부재(111)가 장착되고, 안착홈(151)에 형성되어 있는 체결용 돌기들(171, 172)이 접속부재(111)에 형성되어 있는 체결용 관통구들(173, 174)에 도입된 상태에서, 체결용 돌기들(171, 172)의 돌출 단부들이 열융착을 수행되고, 절연성 플라스틱 소재인 폴리 카보네이트 소재로 구성된 돌출 단부들이 소성 변형되어 접속부재들(111, 112)과 셀 홀더(100) 사이를 안정적으로 결합된다.

도 3 및 4에는 2개의 접속부재들이 안착홈에 결합되는 형태에 대한 도면이 개시되어 있으나, 접속부재의 크기, 형태 및 개수 등은 적용되는 셀들의 개수 및 크기에 따라 다양한 형태로 적용되는 것이 가능하다. 또한, 접속부재들과 셀 홀더 간의 결합에 필요한 안착용 부재들 및 체결용 부재들 의 개수 및 위치 또한 적용되는 형태에 따라 다양하게 변경 가능함은 물론이다.

도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에 대한 모식도가 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전지팩(200)은 복수의 단위셀들(210)의 전극단자들이 전기적으로 연결되어 있는 구조로 구성되어 있으며, 상기 단위셀들(210)은 전극단자들이 단위셀들(210)의 양단에 각각 형성되어 있고, 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되도록 측면들이 상호 인접하면서 배열되어 있다.

단위셀들(210)의 양단에는 단위셀들(210)의 양단 외면에 대응하는 내면 구조를 가진 단위셀 결합홈들(도 3 참조)이 형성되어 있는 한 쌍의 셀 홀더들(101, 102)이 결합된 구조로 구성된다.

상기 셀 홀더들(101, 102)에는 앞서 설명한 도 3 및 4의 구조에 도시되어 있는 바와 같이, 복수개의 도전성 접속부재들(111, 112)이 고정되어 있는 구조로 구성되고, 한쌍의 셀 홀더들(101, 102) 내부에 단위셀들(210)이 장착된 상태로 접속부재들(111, 112)과 단위셀들(210)의 전극단자가 접촉되는 구조로 고정된다.

이러한 구조의 전지팩(200)은 셀 홀더들(101, 102)에 의해 단위셀들(210)이 고정된 상태에서 접속부재들(111, 112)과 단위셀들(210)의 전극단자간의 용접을 수행할 수 있으므로, 비교적 간단한 작업공정을 통해 용접을 수행할 수 있으며, 종래에 자석에 의해 접속부재들(111, 112)을 고정하는 방식이 아니므로, 구리 등의 소재로 이루어진 접속부재들(111, 112)에 대해서도 별도의 특수한 용접용 지그를 필요로 하지 않는다.

또한, 셀 홀더들(101, 102)이 단위셀들(210)을 장착한 상태에서 용접에 의해 완전히 결합되어 팩 케이스 역할을 수행할 수 있으므로, 별도의 팩 케이스를 부가하거나 용접과정이 끝난 이후 용접용 지그를 제거하는 등의 별도의 공정이 추가되지 않으므로, 작업공정 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (22)

1. 복수의 단위셀들의 전극단자들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서,
   전극단자들이 단위셀의 양단에 각각 형성되어 있고, 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되도록 측면들이 상호 인접하면서 배열되어 있는 둘 이상의 단위셀들;
   상기 단위셀들의 양단에 각각 형성되어 있는 전극단자들에 용접 방식으로 접속되는 복수개의 도전성 접속부재들; 및
   상기 단위셀들의 양단에 각각 결합되고, 상기 접속부재들이 정위치 고정된 상태로 장착되어 있으며, 단위셀들의 양단 외면에 대응하는 내면 구조를 가진 단위셀 결합홈들이 형성되어 있는 한 쌍의 셀 홀더들(cell holders);
   을 포함하고 있으며,
   상기 접속부재들은 단위셀들에 대향하는 셀 홀더들의 외면에 장착되어 있고, 각각의 단위셀 결합홈에는 전극단자가 접속부재에 접촉되어 용접되기 위한 위치에 용접용 관통구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 셀 홀더에는, 셀 홀더의 외면에 접속부재들이 장착될 수 있도록, 접속부재들의 형상에 대응하는 안착홈들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 안착홈에 대한 접속부재의 안정적 장착을 위해, 상기 안착홈의 중앙 부위에는 외향 돌출형의 안착용 돌출부가 1개 이상 형성되어 있고, 상기 접속부재에는 안착용 돌출부가 도입될 수 있는 크기의 안착용 개구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 안착홈에 장착된 접속부재가 정위치 고정될 수 있도록, 상기 안착홈에는 복수개의 체결용 돌기들이 추가적으로 외향 돌출되어 있고, 상기 접속부재에는 체결용 돌기들이 도입되어 소성 변형에 의해 결합될 수 있는 체결용 관통구들이 추가적으로 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 체결용 돌기들은 체결용 관통구들에 도입된 상태에서, 체결용 돌기들의 돌출 단부들이 열융착에 의해 소성 변형되어 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 한 쌍의 셀 홀더들이 단위셀들의 양단에 결합된 상태에서 최외곽 단위셀들의 외면 일부가 노출되는 구조인 것을 특징으로 하는 전지팩.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 홀더들은 전극단자들과 접속부재들 사이의 용접에 의해 단위셀들 양단에 고정되어 팩 케이스를 구성하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀은 원통형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 병렬 방식, 또는 직렬 방식, 또는 병렬 및 직렬 방식으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 단위셀들은 병렬 방식으로 연결되어 있고, 동일한 극성의 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되어 있으며, 복수개의 접속부재들이 양극과 음극에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 단위셀들은 직렬 방식으로 연결되어 있고, 서로 다른 극성의 전극단자들이 교번 방식으로 배향되어 있으며, 접속부재들이 단위셀들의 직렬 연결부위에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
12. 제 9 항에 있어서, 상기 단위셀들은 병렬 방식 연결과 직렬 방식의 연결을 동시에 포함하고 있고, 둘 또는 그 이상의 단위셀들이 병렬 연결 단위로서 뱅크를 형성하며, 상기 뱅크들이 직렬 방식 연결을 위해 서로 다른 극성의 전극단자들이 교번 방식으로 배향되어 있고, 접속부재들이 단위셀들의 병렬 연결 부위와 뱅크들의 직렬 연결부위에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 뱅크에서의 단위셀들의 병렬 방식 연결과 인접 뱅크와의 직렬 방식 연결은 하나의 접속부재에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 2열 2행 이상의 구조로 배열되는 구조인 것을 특징으로 하는 전지팩.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재들은 니켈 또는 구리 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 전극단자들과 접속부재들의 용접은 저항 용접, 레이저 용접 또는 초음파 용접에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재들 중에서 어느 하나 이상의 접속부재의 일측 단부에는 직렬 연결부위의 전압을 검출할 수 있는 전압검출용 단자가 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 전압검출용 단자는 셀 홀더의 외측면으로 노출되도록, 셀 홀더의 외면 형상에 대응하여 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
19. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 홀더의 소재는 폴리카보네이트(PC) 수지 또는 폴리카보네이트 아크릴로니틀릴 부타디엔 스티렌(PCABS) 수지 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 제조하는 방법으로서,
    (a) 셀 홀더들의 체결용 돌기들이 접속부재들의 체결용 관통구들 사이를 관통된 형태로 셀 홀더의 안착홈에 접속부재들을 안착시키는 과정;
    (b) 체결용 돌기들이 체결용 관통구들을 통해 돌출된 상태에서 체결용 돌기의 단부를 열융착하여 셀 홀더들과 접속부재들을 결합하여 고정하는 과정;
    (c) 접속부재들이 결합된 셀 홀더들을 단위셀들의 양단에 결합하는 과정; 및
    (d) 셀 홀더들의 용접용 관통구들을 통해 단위셀들의 전극단자들과 접속부재들 사이를 용접하는 과정;
    을 포함하는 전지팩 제조방법.
21. 제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거, 에너지 저장 시스템 또는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 중에서 선택되는 하나인 특징으로 하는 디바이스.

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