KR20170012072A - 형태 변형이 가능한 구조의 비정형 전지셀 - Google Patents

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KR20170012072A
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Abstract

본 발명은 양극과 음극 및 분리막을 각각 포함하는 둘 이상의 전극조립체들, 비수계 전해액, 및 상기 전극조립체들을 전해액과 함께 내부에 수용하는 전지케이스를 포함하고 있고; 상기 전지케이스에 전극조립체들이 전해액과 함께 서로 독립적으로 수용 및 밀봉되어 있는 구조의 둘 이상의 단위셀들과, 전지케이스가 연장된 상태로 상기 단위셀들 사이에 위치하며 피벗 회전 및/또는 절곡될 수 있는 구조의 가변형부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

형태 변형이 가능한 구조의 비정형 전지셀 {Irregular Battery Cell with Transformable Structure}
본 발명은 형태 변형이 가능한 구조의 비정형 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 이차전지셀은 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지셀은 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지셀, 리튬이온 폴리머 전지셀, 리튬 폴리머 전지셀 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지셀에 대한 수요가 증가하고 있다.
일반적으로, 파우치형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 밀봉되어 있는 전지를 칭한다. 전지케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 복합형(스택/폴딩형)의 구조로 이루어져 있다.
도 1에는 젤리롤-형 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지셀(11)은, 전극조립체(2), 전극조립체(2)의 일측 단부로부터 돌출되어 있는 전극리드(4, 5), 및 전극조립체(3)를 수용하는 전지케이스(3)를 포함한다. 이러한 전지셀(1)은, 전극조립체(2)가 전해액과 함께 전지케이스(3)에 내장된 상태로 전지케이스(3)가 밀봉되어 전반적으로 판상형(plate-shaped) 구조를 가지게 된다.
그러나, 최근 슬림한 타입 또는 다양한 디자인의 추세 변화(trend change)와 전지셀을 이용하여 최대의 가용시간을 확보하기 위하여 고용량의 이차전지 시스템이 요구되고 있다.
이에, 다수의 전지셀들을 조합 및 배열하여 고용량이고, 특정한 형태로 전지팩을 구성하기도 한다.
그러나, 전지팩은 다수의 전지셀들이 필요한 반면에, 전극조립체를 전지케이스에 수납하고 전해액을 주액하는 일련의 제조 공정이 다수의 전지셀들 각각에 적용되어야 하므로, 다수의 전지셀들을 이용하여 전지팩을 제조하기까지 장시간이 소요되고, 그 제조 비용 또한 매우 높은 단점이 있다.
더욱이, 전지팩은 다수의 전지셀들을 배열하고 적층하는 구조이므로, 전지셀들의 전지케이스 및 별도의 체결 부재들로 인하여 체적이 크기 때문에 협소한 공간 또는 굴곡과 곡선이 형성된 공간에 배치되기 용이하지 않고, 전지셀들간 전기적 연결이 매우 복잡하다.
따라서, 제조 공정이 간편하면서도 고용량이며, 다양한 디자인의 디바이스에 장착될 수 있는 전지셀에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 둘 이상의 전극조립체들을 전해액과 함께 전지케이스에 내장하여, 고용량을 구현함과 동시에 제조 시간과 비용을 크게 단축할 수 있고, 형태를 변형하여 다양한 디바이스의 형상에 대응할 수 있는 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 양극과 음극 및 분리막을 각각 포함하는 둘 이상의 전극조립체들, 비수계 전해액, 및 상기 전극조립체들을 전해액과 함께 내부에 수용하는 전지케이스를 포함하고 있고;
상기 전지케이스에 전극조립체들이 전해액과 함께 서로 독립적으로 수용 및 밀봉되어 있는 구조의 둘 이상의 단위셀들과, 전지케이스가 연장된 상태로 상기 단위셀들 사이에 위치하며 피벗 회전 및/또는 절곡될 수 있는 구조의 가변형부로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은 하나의 전지케이스에 둘 이상의 전극조립체들이 각각 독립적으로 수용되어 있는 구조이므로 고용량이 가능할 뿐만 아니라, 용량 대비 전지셀의 제조 비용과 제조에 소요되는 시간을 크게 절감할 수 있다.
또한, 상기 전지셀은 가변형부를 통해 디바이스의 내부 구조에 대응하여 형상이 변형될 수 있는 바, 디바이스 내부 공간 활용을 극대화 할 수 있다.
따라서, 상기 전지케이스는 변형이 용이한 파우치형 전지케이스일 수 있고, 더욱 상세하게는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
상기 전지케이스는, 전극조립체들 각각이 수용되는 둘 이상의 장착부들이 형성되어 있는 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 일측 단부로부터 연장되어 있거나 케이스 본체에 대해 독립적인 부재로 이루어진 커버로 구성되어 있고, 상기 전지케이스는, 케이스 본체 상에 커버가 밀착된 상태에서, 케이스 본체와 커버의 적어도 일부가 열융착되어 상호 결합되는 구조일 수 있다.
상기 장착부의 구체적인 구조는 전극조립체와 대응되는 형상으로 케이스 본체로부터 하향 또는 상향 만입되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 장착부는 전극조립체가 장착된 상태에서, 전극조립체의 상부 면을 제외한 나머지 면을 감싸는 구조로 이루어져 있으며, 전극조립체가 장착된 상태에서 케이스 본체에 커버가 열융착되어 밀봉될 수 있다.
상기 케이스 본체는, 장착부들 사이에서 연장되어 있는 제 1 융착부; 및 상기 제 1 융착부를 제외한 장착부들 각각의 단부들로부터 외향으로 연장되어 있는 제 2 융착부들;을 포함할 수 있다.
커버는 케이스 본체의 상부 전면을 감싸도록 구성되어 있으며, 케이스 본체의 상부 전면에는 만입된 장착부 및 만입되지 않은 나머지 영역인 제 1 융착부와 제 2 융착부가 형성되어 있고, 커버가 케이스 본체의 상부 전면에 위치하면, 장착부를 제외한 제 1 융착부와 제 2 융착부가 커버와 밀착되고, 그에 따라 이들의 밀착 면들이 각각 열융착되어 밀봉될 수 있다.
이때, 상기 제 1 융착부는 케이스 본체와 커버가 밀착한 상태에서 열융착되면 전지셀의 가변형부를 형성한다.
이와 같이 열융착된 가변형부는, 각각의 장착부에 전극조립체가 내장된 상태로 커버에 의해 밀봉된 단위셀들 사이에 형성되어 있고, 단위셀들은 가변형부를 중심으로 회전 또는 절곡되어 전지셀의 전반적인 형상이 변형될 수 있다.
상기 제 1 융착부는 커버와 열융착되어 가변형부를 형성한 후, 가변형 부의 변형이 용이하도록 상대적으로 얇은 두께로 구성될 수 있으며, 상세하게는 제 2 융착부의 두께 대비 50% 내지 90%의 두께로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 융착부의 두께가 제 2 융착부의 두께 대비 50% 미만으로 이루어지는 경우, 열융착 과정에서 제 1 융착부가 제 2 융착부로부터 파단될 수 있을 뿐만 아니라, 너울 또는 주름과 같은 불량이 발생할 수 있고, 제 1 융착부와 커버의 열융착이 완료된 가변형부의 기계적 강성 또한 크게 취약하여 회전 또는 절곡과 같은 운동시, 가변형부에 형성된 너울 또는 주름으로부터 유래되는 크랙(crack)에 의해 전지케이스가 손상될 수 있으므로 바람직하지 않다.
반면에, 상기 제 1 융착부의 두께가 제 2 융착부의 두께 대비 90%를 초과하는 경우, 제 1 융착부와 커버가 열에 의해 과도하게 경화되어, 가변형부의 회전 또는 절곡 운동이 용이하지 않은 바, 바람직하지 않다.
상기 제 1 융착부의 폭은 소망하는 전지셀의 크기와 형태 변형에 대응하여 탄력적으로 구성될 수 있으나, 가변형부의 회전 또는 절곡이 가능할 뿐만 아니라, 전지셀의 전반적인 체적이 크게 증가하지 않는 범위에서 선택되는 것이 바람직하며, 상세하게는 장착부 하나의 폭 대비 10% 내지 100%일 수 있다.
상기 가변형부는 또한 커버와 대면하는 제 1 융착부의 일면 상에 형성되어 있고, 장착부와 인접한 제 1 융착부의 단부로부터 또 다른 장착부와 인접한 타측 단부 방향으로 연장되어 있는 둘 이상의 보강 부재(reinforcement)를 포함할 수 있다.
상기 보강 부재는 가변형부의 변형 시, 가변형부에 저항을 제공하고 변형 후, 가변형부 형태를 유지시키는 부재로서, 기계적 강성이 낮은 가변형부에 강성을 제공하여, 외력에 의해 가변형부가 소망하지 않는 형상으로 변형되거나, 변형된 상태의 가변형부가 다시 복원되는 것을 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 보강 부재는 판상형의 플레이트 또는 허니콤(honeycomb) 구조의 금속 플레이트일 수 있고, 그것의 표면에는 전기절연 필름이 부착된 구조일 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 보강 부재는 금속 플레이트이고, 그것의 표면에는 전기절연 필름이 부착되어 있으며,
사선으로의 절곡에 강성을 가지도록, 평면상으로 'X'자 형태로 제 1 융착부의 단부로부터 또 다른 장착부와 인접한 타측 단부 방향으로 연장된 구조일 수 있다.
이러한 구조는, 보강 부재가 사선으로 휘어질 때, 일부는 그 형태를 유지하면서 상기 가변형부의 절곡된 형태를 유지시키기 용이한 이점을 제공한다.
이와는 달리, 상기 보강 부재는 금속 플레이트이고, 그것의 표면에는 전기절연 필름이 부착되어 있으며, 수직 절곡이 용이하도록, 중심부를 가로지르는 형태로 만입된 요철 구조가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 두께가 상대적으로 얇은 요철 부위를 통해 보강 부재는 상대적으로 변형이 용이할 수 있으며, 그만큼 가변형부에 인가되는 응력은 완화될 수 있다.
상기 보강 부재의 두께는 제 1 융착부의 두께 대비 100% 내지 1000%일 수 있다.
상기 보강 부재의 두께가 제 1 융착부 두께 대비 100% 미만인 경우에는, 가변형부에 충분한 강성과 변형에 따른 저항을 제공할 수 없는 바, 소망하는 효과를 기대하기 어렵고, 제 1 융착부 두께 대비 1000%를 초과하는 경우에는 제 3 실링 예정부의 열융착이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 전지셀 외면에 단차와 같은 결함을 유발할 수 있는 바, 바람직하지 않다.
상기 보강부재를 이루는 금속 플레이트의 소재는 특별히 한정되는 것은 아니나, 연성이 뛰어난 납, 구리 또는 알루미늄에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 제 2 융착부들은 케이스 본체가 커버와 밀착한 상태에서 열융착 되어 전지셀의 외주변인 외주 실링부들을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 전극조립체들 각각은, 외주 실링부들 중 적어도 하나의 외주 실링부를 통해, 전극 리드들이 전지케이스의 외측으로 돌출될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체들은 이들의 전극 리드들이 각각 다른 외주 실링부를 통해 돌출될 수 있다.
따라서, 상기 구조의 전지셀은 전극조립체들 각각의 전극 리드들이 서로 다른 방향으로 돌출될 수 있으며, 전극조립체들 각각의 전기적 연결 구조를 독립적으로 구성할 수 있는 장점이 있다.
예를 들어, 하나의 전극조립체는 전지셀의 일측에서 전기 장치와 전기적으로 연결될 수 있고, 또 다른 전극조립체는 전지셀의 타측에서 또 다른 전기 장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
이러한 전극조립체들 각각은 한 쌍의 전극 리드들, 즉, 양극 리드 및 음극 리드를 포함하며, 이들 전극 리드가 전극조립체의 일측 단부에서 나란히 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
이와는 달리, 상기 전극조립체들은 이들의 전극 리드들이 각각 동일한 외주 실링부를 통해 돌출된 구조일 수도 있다.
상기 구조의 전지셀은 전극조립체들 각각의 전극 리드들이 서로 동일한 방향으로 돌출되어 있는 바, 전극조립체들을 서로 전기적으로 연결하기 용이한 장점을 가진다.
이때, 전극조립체들 각각은 한 쌍의 전극 리드들, 즉, 양극 리드 및 음극 리드를 포함하며, 이들 전극 리드가 전극조립체의 일측 단부에서 나란히 돌출되어 있는 구조 또는 전극 리드들이 전극조립체의 양측 단부에서 각각 돌출된 구조일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 하나의 전극조립체의 전극 리드 및 상기 전극조립체에 인접한 또 다른 전극조립체의 전극 리드가 전기적으로 연결된 부위는, 가변형부의 내부인 커버와 제 1 융착부 사이에 위치할 수 있다.
이러한 구조는 전극조립체의 전극 리드들이 제 1 융착부와 커버 사이에서 연결되어 있으므로, 가변형부가 회전 또는 절곡될 때, 결합된 전극 리드들도 함께 회전 또는 절곡될 수 있으며, 전극조립체간 전기적 연결구조가 전지셀 외부에 형성되어 있지 않아 전지셀은 더욱 콤팩트한 구조를 가질 수 있다.
상기 외주 실링부들 중에서, 전극 리드들이 돌출되어 있지 않은 나머지 외주 실링부들은 장착부 방향으로 절곡될 수 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은,
n개(n≥2)의 전극조립체들이 가변형부들에 의해 서로 연결되어 있는 n개의 단위셀들을 포함하고,
제 1 단위셀을 기준으로, 제 2 단위셀 내지 제 n 단위셀 각각은 가변형부들에 의해 0도 내지 180도로 회전되어 있는 구조, 및/또는 제 1 단위셀을 기준으로, 제 n 단위셀 방향으로 절곡되어 있는 구조를 이룰 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은 하나의 전지케이스에 다수의 전극조립체들이 수용된 구조로서, 단일 전지셀에 독립적인 전력원으로 사용될 수 있는 다수의 단위셀들을 포함할 수 있고, 그에 따라 대용량의 전지셀 제조가 매우 간소화될 수 있다.
또한, 전지셀은 단위셀들 사이에 형성되어 있는 가변형부를 변형시켜 전지셀의 전반적인 형상을 다변화 할 수 있고, 그에 따라 다양한 구조의 공간에 대응하여 전지셀을 배치할 수 있다.
예를 들어, 전지셀이 배치되기 위한 공간에 수직 구조물이 형성되어 있는 경우, 단위셀들 사이의 가변형부가 수직으로 절곡되어, 하나의 단위셀과 또 다른 단위셀이 서로 수직을 이루며 상기 공간에 배치될 수 있는 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명의 전지셀은 상기 제 n 개의 단위셀들은 각각 다른 전기 장치에 독립적으로 전원을 공급할 수 있는 바, 하나의 전지셀을 통해 다수의 전기 장치에 전력을 공급할 수도 있으며, 이러한 전기 연결을 통해, 전지셀의 활용을 다양화할 수 있는 장점을 가진다.
예를 들어, 전지셀에서 하나의 단위셀은 전기 장치의 메인 전원으로 이용되고, 또 다른 단위셀은 메인 전원이 단전되는 경우, 보조 전원으로 사용되어 전기 장치의 가용 시간을 연장하거나, 또는 하나의 단위셀은 전기 장치에 내장된 시스템에 전원을 공급하고 또 다른 단위셀은 전기 장치 자체에 전원을 공급하는 형태로 활용될 수도 있다.
상기 제 n 개의 단위셀들은 또한, 제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀 까지 인접한 단위셀들이 서로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다.
이러한 전지셀에서, 상기 전극조립체는 양극 시트와 음극 시트 사이에 분리 시트를 개제한 상태로 권취한 구조의 젤리-롤 형(jelly-roll type) 전극조립체이고, 상기 단위셀은 판상형(plate-shaped) 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 전극조립체의 양극 리드와 음극 리드는 전극조립체의 일측 단부로부터 나란히 돌출된 구조, 또는 양측 단부로부터 각각 돌출된 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 방법은 구체적으로,
(a) 전극조립체들 각각을 전지케이스의 장착부들에 장착하는 과정;
(b) 각각의 장착부에 전해액을 주액하는 과정;
(d) 전지케이스의 케이스 본체와 커버를 밀착시키고, 제 2 융착부들을 열융착시켜 외주 실링부를 형성하는 과정; 및
(e) 제 1 융착부를 열융착시켜 가변형부를 형성하는 과정;
을 포함한다.
상기 전해액을 주액하는 과정은 동시에 이루어질 수 있고, 경우에 따라서는 하나의 장착부를 통해 전해액을 주액하고, 제 1 융착부를 통해 전해액이 또 다른 장착부로 유입되도록 주액하는 방법을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 다수의 전극조립체를 하나의 전지케이스에 장착한 후, 이를 밀봉하는 간단한 과정으로 이루어져 있어, 전지셀의 제조 시간과 비용이 상당히 절감될 수 있다.
본 발명에서 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
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 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 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.
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 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 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 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 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, 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, 비수 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 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 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 동력원으로 사용하는 하나 이상의 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 예를 들어, 모바일 전자기기, 웨어러블 전자기기, 무인항공기, 또는 전기자전거일 수 있으나 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 단일 전지케이스에 둘 이상의 전극조립체들이 각각 독립적으로 수용되어 있는 구조로서, 고용량이 가능할 뿐만 아니라, 제조 비용과 제조에 소요되는 시간을 크게 절감할 수 있다.
또한, 전지셀은 가변형부를 통해 디바이스의 내부 구조에 대응하여 형태가 변경될 수 있는 바, 다양한 디바이스의 디자인에 대응하여 사용될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지셀의 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 분해 사시도이다;
도 3은 케이스 본체의 평면 모식도이다;
도 4는 전지셀의 평면 모식도이다;
도 5는 전지셀의 형상 변형 과정을 나타낸 모식도이다;
도 6은 형상이 변형된 전지셀의 구조들을 나타낸 모식도이다;
도 7은 형상이 변형된 전지셀의 다른 구조들을 나타낸 모식도이다;
도 8은 형상이 변형된 전지셀의 또 다른 구조들을 나타낸 모식도이다;
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 평면 모식도이다;
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 평면 모식도이다;
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 평면 모식도이다;
도 12은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀을 구성하는 케이스 본체에 대한 평면 모식도이다;
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀을 구성하는 케이스 본체에 대한 평면 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 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 케이스 본체의 평면 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 케이스 본체와 커버가 결합된 평면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 함께 참조하면, 전지셀(100)은 제 1 전극조립체(120), 제 2 전극조립체(122), 전해액(도시하지 않음) 및 전지케이스(110)를 포함한다.
제 1 전극조립체(120)와 제 2 전극조립체(122)는 각각 양극 시트와 음극 시트 사이에 분리 시트를 개제한 상태로 권취한 구조의 젤리-롤 형(jelly-roll type) 전극조립체이다.
제 1 전극조립체(120)는 양극 리드(120a) 및 음극 리드(120b)를 포함하고, 제 2 전극조립체(122)는 양극 리드(122a) 및 음극 리드(122b)를 포함하며, 이들 전극 리드들(120a, 120b, 122a, 122b)은 제 1 전극조립체(120) 및 제 2 전극조립체(122)의 일측 단부에서 나란히 돌출되어 있다.
전지케이스(110)는 제 1 전극조립체(120)와 제 2 전극조립체(122)가 수용되는 케이스 본체(112)와 케이스 본체(112)의 일측 단부로부터 연장되어 있고, 케이스 본체(112)의 상부 면적과 대응되는 크기로 이루어진 커버(114)를 포함한다. 여기서, 도 2에는 커버(114)가 케이스 본체(112)의 일측 단부로부터 연장되어 있는 구조가 도시되어 있으나, 케이스 본체(112)에 대해 독립적인 부재로 이루어진 커버(114) 또한 본 발명의 범주에 포함됨은 물론이다.
케이스 본체(112)에는 제 1 전극조립체(120)가 수용되는 제 1 장착부(140) 및 제 2 전극조립체(122)가 장착되는 제 2 장착부(142)가 형성되어 있다.
제 1 장착부(140)는 제 1 전극조립체(120)와 대응되는 형상으로 케이스 본체(112)의 일부로부터 하향으로 만입되어 있고, 제 2 장착부(142)는 제 1 장착부(140)의 일측에서 제 2 전극조립체(122)와 대응되는 형상으로 케이스 본체(112)의 일부로부터 하향으로 만입되어 있다.
케이스 본체(112)는 제 1 장착부(140) 및 제 2 장착부(142) 사이에서 연장되어 있는 제 1 융착부(132) 및 제 1 융착부(132)를 제외한 장착부들 각각의 단부들로부터 외향으로 연장되어 있는 제 2 융착부들(134a, 134b, 134c, 134d)을 포함한다.
제 1 융착부(132)에는 제 1 장착부(140)와 인접한 제 1 융착부(132)의 단부로부터 또 제 2 장착부(142)와 인접한 타측 단부 방향으로 연장되어 있는 보강 부재들(132a, 132b)이 장착되어 있다.
보강 부재들(132a, 132b)은 절연 필름으로 외면이 감싸져 있고, 열융착시, 보강 부재들(132a, 132b)의 표면에 부착된 절연 필름이 제 1 융착부(132)와 커버(114) 사이에서 열융착될 수 있다.
커버(114)는 케이스 본체(112)의 상부에 형성된 제 1 융착부(132)와 제 2 융착부들(134a, 134b, 134c, 134d)에 밀착된 상태에서 열융착되며, 전지셀(100)은 제 1 융착부(132)와 커버(114)가 열융착된 부위에 가변형부(200)가 형성되고, 제 2 융착부들(134a, 134b, 134c, 134d)과 커버(114)가 열융착된 부위에 외주 실링부들(210a, 210b, 220a, 220b, 230a, 230b)이 형성된다.
따라서, 전지셀(100)은 전지케이스(110) 내부에 제 1 전극조립체(120)와 제 2 전극조립체(122)가 전해액과 함께 서로 독립적으로 수용 및 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있고, 가변형부(200)를 기준으로, 제 1 전극조립체(120)가 수용되어 있는 제 1 단위셀(10)과 제 2 단위셀(20)을 포함하며, 제 2 단위셀(20)과 제 1 단위셀(10)의 사이에 가변형부(200)가 형성되어 있다.
보강 부재(132a, 132b)는 제 1 단위셀(10)과 제 2 단위셀(10) 사이에서 가변형부(200)의 뼈대를 구성하여, 가변형부(200)가 중력이나 기타 외력에 의해 소망하는 형상으로 변형되는 것을 방지한다.
즉, 보강 부재(132a, 132b)는 가변형부(132a, 132b)에 저항을 제공하고 변형 후, 가변형부(132a, 132b) 형태를 유지시키는 역할을 한다.
외주 실링부들(210a, 210b, 220a, 220b, 230a, 230b)은 전면 실링부들(210a, 210b), 전면 실링부들(210a, 210b)과 각각 연장되어 있고 전지셀(100)의 측부에 형성되어 있는 측부 실링부들(230a, 230b) 및 전면 실링부(210a, 210b)와 대향하는 위치에 형성되어 있고, 측부 실링부(230a, 230b)들 사이에서 연장되어 있는 후면 실링부(220a, 220b)를 포함한다.
제 1 단위셀(10)은 제 1 전극조립체(120)의 양극 리드(120a)와 음극 리드(120b)가 전면 실링부(210a)를 통해 나란히 돌출되어 있고, 제 2 단위셀(20)은 제 2 전극조립체(122)의 양극 리드(122a)와 음극 리드(122b)가 또 다른 전면 실링부(210b)를 통해 나란히 돌출되어 있다.
따라서, 도 4에 도시된 전지셀(100)에서, 제 1 단위셀(10)과 제 2 단위셀(20)의 전극 리드들(120a, 120b, 122a, 122b)은 서로 동일한 방향으로 나란히 돌출된 구조로 이루어져 있다.
측면 실링부들(230a, 230b)은 기준선들(A, A')을 기준으로 제 1 장착부(140)와 제 2 장착부(142)의 만입 방향으로 각각 절곡된다.
본 발명에 따른 전지셀(100)은 제 1 단위셀(10)과 제 2 단위셀(20) 사이에 형성되어 있는 가변형부(200)를 통해 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 전지셀(100)은 제 1 단위셀(10)과 제 2 단위셀(20) 및 가변형부(200)가 서로 수평을 이루는 기본 형태(a)에서 다양한 형태로 변형될 수 있다.
먼저 도 5 및 도6을 참조하면, 전지셀(100)은 기본 형태(a)에서 가변형부(200)가 제 1 단위셀(10)을 기준으로 제 2 단위셀(20) 방향으로 그것의 일부가 하향 절곡되어 경사를 포함하는 구조(b)로 변형될 수 있다.
구조(b)로부터 가변형부(200)가 더 절곡 되는 경우, 구조(c)와 같이, 제 1 단위셀(10)과 제 2 단위셀(20)이 서로 직각을 이루는 형태로 변형이 가능하다. 또한, 구조(c)로부터 가변형부(200)가 제 1 단위셀(10)에 대해 수직으로 변형되어 제 1 단위셀(10)과 제 2 단위셀(20)이 서로 단차를 이루는 구조(d)로 변형될 수도 있다.
여기서, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 보강 부재(132a, 132b)는 가변형부(132a, 132b)에 부하를 제공하여, 변형된 가변형부(132a, 132b) 형태를 유지키는 점에 주목해야 한다.
도 7을 참조하면 전지셀(100)은 기본 형태(a)에서 가변형부(200)가 제 1 단위셀(10)을 기준으로 제 2 단위셀(20) 방향으로 그것의 일부가 상향 절곡되어 제 1 단위셀(10)과 제 2 단위셀(20)이 서로 직각을 이루는 구조(e)로 변형될 수 있고, 구조(d)로부터 가변형부(200)가 더 절곡 되는 경우, 구조(f)와 같이, 제 1 단위셀(10)의 상면과 제 2 단위셀(20)의 상면이 서로 밀착되어 있는 형태로 변형이 가능하다.
전지셀(100)은 상기 구조(a)로부터 상기 구조(f)까지의 가변형부(200)의 절곡 각도 내에서라면 어떤 각도로든 절곡되어 전지셀(100)의 형태를 변형시킬 수 있음은 물론이다.
도 8에는 세 개의 단위셀을 포함하는 전지셀에서 가변형부가 변형된 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 전지셀(100a)은 원통형 구조물(1000) 내측에 내장되기 용이하도록 제 1 단위셀(10a)을 기준으로, 제 2 단위셀(20a) 및 제 3 단위셀(30a) 각각이 가변형부들(200a, 200b)에 의해 회전되어 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전지셀(100a)은 가변형부(200a, 200b)를 통해 변형되어, 공간이 협소하면서도 평판형이 아닌 곡선을 포함하는 공간에 장착되기 용이한 구조로 이루어져 있다.
한편, 도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀이 모식적으로 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 제 1 전극조립체(410) 및 제 2 전극조립체(420) 각각은 양극 리드들(412, 422) 및 음극 리드들(414, 424)을 포함하며, 양극 리드(412, 422)와 음극 리드들(414, 424)이 이들 전극조립체(410, 420)의 양측 단부에서 각각 돌출된 구조로 이루어져 있다.
여기서, 제 1 전극조립체(410)의 양극 리드(412) 및 제 2 전극조립체(420)의 음극 리드(424)는 가변형부(402)의 내부인 커버와 제 1 융착부 사이에 전기적으로 연결된 상태로 보강 부재(도시하지 않음)와 함께 위치하고 있고, 제 1 전극조립체(410)의 음극 리드(414)는 측부 실링부(404)를 통해 전지셀(400) 외부로 돌출되어 있고, 제 2 전극조립체(420)의 양극 리드(422)는 또 다른 측부 실링부(406)를 통해 전지셀(400) 외부로 돌출되어 있다.
이러한 구조의 전지셀은 전극조립체의 전극 리드들이 제 1 융착부와 커버 사이에서 연결되어 있으므로, 가변형부가 회전 또는 절곡될 때, 결합된 전극 리드들도 함께 회전 또는 절곡되면서 보강 부재의 역할을 수행할 수 있으며, 전극조립체간 전기적 연결구조가 전지셀 외부에 형성되어 있지 않아 더욱 콤팩트한 구조를 가질 수 있다.
이와는 달리, 도 10에는 전극 리드들이 각각 다른 외주 실링부를 통해 돌출되어 있는 전지셀의 구조가 모식적을 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 제 1 전극조립체(510) 및 제 2 전극조립체(520) 각각은 양극 리드(512, 522) 및 음극 리드(514, 524)를 포함하며, 양극 리드(512, 522)와 음극 리드들(512, 522)이 이들 전극조립체(510, 520)의 양측 단부에서 각각 돌출된 구조로 이루어져 있다.
여기서, 제 1 전극조립체(510)의 양극 리드(512)는 제 1 전면 실링부(504a)를 통해 외부로 돌출되어 있고, 음극 리드(514)는 제 1 후면 실링부(504b)를 통해 외부로 돌출되어 있으며, 제 2 전극조립체(520)의 양극 리드(522)는 제 2 전면 실링부(506a)를 통해 외부로 돌출되어 있고, 제 2 전극조립체(520)의 음극 리드(524)는 제 2 후면 실링부(506a)를 통해 외부로 돌출되어 있다.
이러한 구조에서는 커버와 케이스 본체가 서로 독립적인 부재로 이루어져 있으며, 그에 따라 모든 외주 실링부들을 통해 전극 리드들이 돌출될 수 있다.
이와 유사하게, 도 11에는 전극 리드들이 각각 다른 외주 실링부를 통해 돌출되어 있는 전지셀의 또 다른 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 제 1 전극조립체(610) 및 제 2 전극조립체(620) 각각은 양극 리드(612, 622) 및 음극 리드(614, 724)를 포함하며, 양극 리드(612, 622)와 음극 리드들(612, 622)이 이들 전극조립체(610, 620)의 일측 단부에서 각각 나란히 돌출된 구조로 이루어져 있다.
여기서, 제 1 전극조립체(610)의 양극 리드(612) 및 음극 리드(614)는 후면 실링부(604)를 통해 나란히 외부로 돌출되어 있고, 제 2 전극조립체(620)의 양극 리드(622) 및 음극 리드(624)는 전면 실링부(606)를 통해 나란히 외부로 돌출되어 있다.
도 12과 도 13에는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전지셀을 구성하는 케이스 본체들에 대한 평면 모식도들이 도시되어 있다.
먼저 도 12를 참조하면, 케이스 본체(700)의 기본 구조는 도 3에 도시된 케이스 본체(112)와 동일하나, 제 1 융착부(702)에는 평면상으로 'X'자 형태로 제 1 융착부(702)의 단부로부터 또 다른 장착부와 인접한 타측 단부 방향으로 연장된 구조의 보강 부재들(710, 712)이 장착되어 있다.
이러한 보강 부재들(710, 712)은 금속 플레이트 및 상기 금속 플레이트의 표면에 부착되는 전기절연 필름을 포함하며, 절연 필름이 제 1 융착부(702)와 커버 사이에서 열융착될 수 있다.
도 13에는 이와 다른 구조의 보강 부재가 도시되어 있다. 도10을 참조하면, 보강 부재(810)는 수직 절곡이 용이하도록, 중심부를 가로지르는 형태로 만입된 요철 구조(812)가 형성되어 있다.
이러한 구조는 두께가 상대적으로 얇은 요철 구조(812)를 중심으로 보강 부재(810)가 용이하게 변형되면서 전지케이스의 가변형부에 인가되는 응력은 완화될 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 (27)

  1. 양극과 음극 및 분리막을 각각 포함하는 둘 이상의 전극조립체들, 비수계 전해액, 및 상기 전극조립체들을 전해액과 함께 내부에 수용하는 전지케이스를 포함하고 있고;
    상기 전지케이스에 전극조립체들이 전해액과 함께 서로 독립적으로 수용 및 밀봉되어 있는 구조의 둘 이상의 단위셀들과, 전지케이스가 연장된 상태로 상기 단위셀들 사이에 위치하며 피벗 회전 및/또는 절곡될 수 있는 구조의 가변형부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는, 전극조립체들 각각이 수용되는 둘 이상의 장착부들이 형성되어 있는 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 일측 단부로부터 연장되어 있거나 케이스 본체에 대해 독립적인 부재로 이루어진 커버로 구성되어 있으며,
    상기 전지케이스는, 케이스 본체 상에 커버가 밀착된 상태에서, 케이스 본체와 커버의 적어도 일부가 열융착되어 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 장착부는 전극조립체와 대응되는 형상으로 케이스 본체로부터 하향 또는 상향 만입되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 케이스 본체는,
    장착부들 사이에서 연장되어 있는 제 1 융착부; 및
    상기 제 1 융착부를 제외한 장착부들 각각의 단부들로부터 외향으로 연장되어 있는 제 2 융착부들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 융착부는 케이스 본체가 커버와 밀착한 상태에서 열융착 되어 가변형부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 가변형부는,
    커버와 대면하는 제 1 융착부의 일면 상에 형성되어 있고, 장착부와 인접한 제 1 융착부의 단부로부터 또 다른 장착부와 인접한 타측 단부 방향으로 연장되어 있는 둘 이상의 보강 부재(reinforcement)를 포함하고,
    상기 보강 부재는 가변형부의 변형 시, 가변형부에 저항을 제공하고 변형 후, 가변형부 형태를 유지시키는 부재인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 보강 부재는 허니콤(honeycomb) 구조의 금속 플레이트이고, 그것의 표면에는 전기절연 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 보강 부재는 금속 플레이트이고, 그것의 표면에는 전기절연 필름이 부착되어 있으며,
    사선으로의 절곡에 강성을 가지도록, 평면상으로 'X'자 형태로 제 1 융착부의 단부로부터 또 다른 장착부와 인접한 타측 단부 방향으로 연장된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 보강 부재는 금속 플레이트이고, 그것의 표면에는 전기절연 필름이 부착되어 있으며, 수직 절곡이 용이하도록, 중심부를 가로지르는 형태로 만입된 요철 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 보강 부재의 두께는 제 1 융착부의 두께 대비 100% 내지 1000%인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 융착부들은 케이스 본체가 커버와 밀착한 상태에서 열융착 되어 전지셀의 외주변인 외주 실링부들을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 6 항에 있어서, 하나의 전극조립체의 전극 리드 및 상기 전극조립체에 인접한 또 다른 전극조립체의 전극 리드가 전기적으로 연결된 부위는, 가변형부의 내부인 커버와 제 1 융착부 사이에 위치하는 것을 특징으로 전지셀.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 전극조립체들 각각은, 외주 실링부들 중 적어도 하나의 외주 실링부를 통해, 전극 리드들이 전지케이스의 외측으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전극조립체들은 이들의 전극 리드들이 각각 동일한 외주 실링부를 통해 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 전극조립체들은 이들의 전극 리드들이 각각 다른 외주 실링부를 통해 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 실링부들 중에서, 전극 리드들이 돌출되어 있지 않은 나머지 외주 실링부들은 장착부 방향으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 융착부는 제 2 융착부의 두께 대비 50% 내지 90%의 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 융착부의 폭은 내측 장착부 하나의 폭 대비 10% 내지 100%인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은,
    n개(n≥2)의 전극조립체들이 가변형부들에 의해 서로 연결되어 있는 n개의 단위셀들을 포함하고,
    제 1 단위셀을 기준으로, 제 2 단위셀 내지 제 n 단위셀 각각은 가변형부들에 의해 0도 내지 180도로 회전되어 있는 구조, 및/또는 제 1 단위셀을 기준으로, 제 n 단위셀 방향으로 절곡되어 있는 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 제 n 개의 단위셀들은 각각 다른 전기 장치에 독립적으로 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 제 n 개의 단위셀들은 제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀 까지 인접한 단위셀들이 서로 직렬 및/또는 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극 시트와 음극 시트 사이에 분리 시트를 개제한 상태로 권취한 구조의 젤리-롤 형(jelly-roll type) 전극조립체이고, 상기 단위셀은 판상형(plate-shaped) 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (b) 전극조립체들 각각을 전지케이스의 장착부들에 장착하는 과정;
    (b) 각각의 장착부에 전해액을 주액하는 과정;
    (d) 전지케이스의 케이스 본체와 커버를 밀착시키고, 제 2 융착부들을 열융착시켜 외주 실링부를 형성하는 과정; 및
    (e) 제 1 융착부를 열융착시켜 가변형부를 형성하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩.
  26. 제 25 항에 따른 전지팩을 동력원으로 사용하는 하나 이상의 디바이스.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 디바이스는 모바일 전자기기, 웨어러블 전자기기, 무인항공기, 또는 전기자전거인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021125454A1 (ko) * 2019-12-17 2021-06-24 주식회사 엘지에너지솔루션 이차전지용 케이스 및 이차전지

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100870354B1 (ko) * 2007-05-18 2008-11-25 삼성에스디아이 주식회사 전지외장재 및 그를 이용한 이차전지
KR101170881B1 (ko) * 2007-11-17 2012-08-03 주식회사 엘지화학 직렬 연결 구조의 고출력 이차전지
KR101491721B1 (ko) * 2009-12-10 2015-02-09 주식회사 엘지화학 파우치형 이차 전지 및 그 제조 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100870354B1 (ko) * 2007-05-18 2008-11-25 삼성에스디아이 주식회사 전지외장재 및 그를 이용한 이차전지
KR101170881B1 (ko) * 2007-11-17 2012-08-03 주식회사 엘지화학 직렬 연결 구조의 고출력 이차전지
KR101491721B1 (ko) * 2009-12-10 2015-02-09 주식회사 엘지화학 파우치형 이차 전지 및 그 제조 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021125454A1 (ko) * 2019-12-17 2021-06-24 주식회사 엘지에너지솔루션 이차전지용 케이스 및 이차전지

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