KR20170019606A - 수분 침투의 방지에 대한 신뢰성이 향상된 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전해액과 함께 전극조립체가 수납된 상태로 전지케이스의 외주변들이 밀봉된 구조의 판상형(plate-shaped) 전지셀로서, 상기 전지케이스는, 열융착되어 전지셀의 제 1 실링부(first sealing portion)를 형성하는 열융착 예정부들; 전극조립체가 수납되는 제 1 공간; 상기 열융착 예정부들과 함께 전지케이스의 외주변을 이루고, 열융착 예정부들의 외측에 형성되어 있는 제 2 공간들;을 포함하고, 상기 제 2 공간들 중 적어도 일부에는, 외부로부터 제 1 공간으로 수분이 침투되는 것을 차단하기 위한 금속 편이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

수분 침투의 방지에 대한 신뢰성이 향상된 전지셀 {Battery Cell Having Improved Reliability of Preventing Humidity Penetration}
본 발명은 수분 침투의 방지에 대한 신뢰성이 향상된 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 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 전지셀에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지셀에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 전지셀은 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 전지셀의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지셀(10)은, 파우치형 전지케이스(20) 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.
도 2에는 도 1의 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정 및 라미네이트 시트의 결합된 단면이 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 라미네이트 시트(20)는 최외각을 이루는 외측 수지층(20a), 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층(20b), 및 밀봉을 위한 내측 수지층(20c)으로 구성되어 있다.
외측 수지층(20a)은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, 일반적으로 ONy(연신 나일론)이 많이 사용되고 있다. 차단성 금속층(20b)은 공기, 습기 등이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할을 하며, 일반적으로 알루미늄(Al)이 많이 사용되고 있다. 내측 수지층(20c)은 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 밀봉성을 제공하는 역할을 하며, 일반적으로 CPP(casting polypropylene: 무연신 폴리프로필렌)가 많이 사용되고 있다.
이러한 다층 라미네이트 구조의 전지케이스 시트(20)는 실링부에서 내측 수지층(20c)이 서로 대면하는 구조를 이루며, 이러한 내측 수지층(20c)은 열융착에 의해 서로 결합된다. 따라서, 라미네이트 시트가 결합된 단부에서 내측 수지층(20c)이 외부에 노출되고, 주로 고분자 수지로 되어 있는 내측 수지층(20c)은 수분의 침투가 용이하고 전해액의 누액 가능성이 존재하므로, 장기간 사용시 전지셀의 수명 및 안정성을 저해하는 요인으로 작용한다.
따라서, 수분의 침투 및 전해액의 누액 현상을 방지하여, 전지셀의 수명 및 안정성을 확보할 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, 수분의 침투가 불가능한 금속 편을 전지셀 실링부에 장착시켜, 수분의 침투 방지에 대한 신뢰성이 높은 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전해액과 함께 전극조립체가 수납된 상태로 전지케이스의 외주변들이 밀봉된 구조의 판상형(plate-shaped) 전지셀로서,
상기 전지케이스는,
열융착되어 전지셀의 제 1 실링부(first sealing portion)를 형성하는 열융착 예정부들;
전극조립체가 수납되는 제 1 공간;
상기 열융착 예정부들과 함께 전지케이스의 외주변을 이루고, 열융착 예정부들의 외측에 형성되어 있는 제 2 공간들;
을 포함하고,
상기 제 2 공간들 중 적어도 일부에는, 외부로부터 제 1 공간으로 수분이 침투되는 것을 차단하기 위한 금속 편이 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 수분의 침투가 용이한 제 1 실링부의 외측 공간인 제 2 공간에 수분이 투과될 수 없는 금속 편이 장착되어 있어, 전지셀의 내수분성 및 내구성이 향상된 구조로 이루어져 있다.
일반적으로 라미네이트 시트의 전지케이스에서 열융착된 제 1 실링부는 내측 수지층의 결합에 의해 형성되는 바, 이러한 내측 수지층은 고분자 수지로 이루어져 있어서 고분자 섬유 사이로 수분 입자의 침투 또는 전해액의 누액이 가능하다. 만약, 전지셀에 수분이 침투하면, 수분에 의해 전극조립체가 단락될 수 있으며 반대로, 전해액이 전지셀로부터 누액되면 장기적으로 전지셀의 성능이 저하될 수 있다.
반면에, 본 발명에서는 상기 금속 편이 전지셀 내부, 상세하게는 전극조립체가 수납된 제 1 공간으로 수분이 침투 하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제 1 공간의 전해액이 제 1 실링부로 투과 되더라도, 상기 금속 편이 제 1 실링부와 외부 사이에서, 전해액 누액을 차단할 수 있다.
또한, 금속 편은 상대적으로 강성이 약한 라미네이트 시트의 외주변을 지지함으로써 전지케이스의 강도를 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 금속 편은 제 2 공간에서 전지케이스의 금속층과 용접에 의해 결합되어 제 2 실링부를 형성하고, 상기 제 2 실링부는 수분이 제 1 실링부로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
이러한 제 2 실링부는 제 2 공간에서 금속층과 금속 편이 일체로 벽을 형성하면서 수분이 제 1 실링부에 도달하는 것을 방지하고, 제 1 공간에서 제 1 실링부를 경유하는 전해액 누액 경로를 외부로부터 차단하는 구조일 수 있다.
상기 전지케이스는 내부로부터 외부방향으로 폴리프로필렌(Polypropylene), 알루미늄, 및 연신 나일론과 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 중의 적어도 하나가 순차적으로 층을 이루고 있는 파우치형 전지케이스이고,
금속 편은 제 2 공간에서 전지케이스의 알루미늄 층과 용접될 수 있다.
상기 전지케이스의 열융착 예정부는 내측 수지층인 폴리프로필렌 층이 서로 대면하도록 밀착되어 형성될 수 있고, 이들 폴리프로필렌 층이 열에 의해 상호 융착되면서 접합되어 제 1 실링부를 형성할 수 있다.
이와는 달리, 제 2 공간에서 전지케이스는, 용접에 의해 제 2 공간의 폴리프로필렌 층이 용융되면서 알루미늄 층이 제 2 공간으로 노출되면, 상기 알루미늄 층과 금속 편이 밀착된 상태로 상호 접합 될 수 있다.
결과적으로, 상호 융착된 폴리프로필렌 층이 내측 수지층을 형성하고, 상기 금속 편은 제 2 공간에서 알루미늄 층과 접합되어, 전지셀의 가장 외측에서 수분 침투를 차단한다.
이러한 금속 편은 전극 단자가 위치하는 제 2 공간을 제외한 나머지 제 2 공간들에만 장착될 수 있고, 금속 편이 장착되지 않은 제 2 공간은 열융착 예정부와 마찬가지로 열융착되어 폴리프로필렌 층들이 상호 접합될 수 있다.
경우에 따라서는, 금속 편이 전극 단자와 접촉하지 않도록, 전극 단자가 위치하는 제 2 공간의 일부와 나머지 제 2 공간에 함께 장착될 수 도 있다.
상기 금속 편은 그것의 두께가 너무 얇을 경우, 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 두께가 너무 두꺼울 경우에는 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하며, 제 2 공간에 장착된 상태에서 실링부에 과도한 장력을 인가하여 열융착된 실링부의 분리를 유발할 수 있으므로 바람직하지 않다. 상기 금속 편의 두께는 상세하게는 0.01 mm 내지 5 mm일 수 있고, 더욱 상세하게는 0.1 mm 내지 3 mm일 수 있다.
상기 금속 편은 열융착 예정부들의 길이 대비 50% 내지 100%의 길이로 이루어진 플레이트(plate)일 수 있고, 상세하게는 100%의 길이로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 금속 편은 제 2 공간에서 열융착 예정부의 길이 방향으로 장착되면서 제 1 실링부의 전면에 대한 수분 침투를 차단할 수 있다.
상기 금속 편을 구성하는 물질은, 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에도 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있으며, 알루미늄과의 용접이 가능한 금속 소재들이라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 상세하게는 알루미늄, 구리, 납 및 주석에서 선택되는 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
상기 금속 편은 또한, 알루미늄 층과의 용접 신뢰성이 높으면서도, 수분의 침투를 효과적으로 방지할 수 있는 구조로 이루어질 수 있다.
하나의 예로서, 상기 금속 편의 외면에는, 알루미늄 층에 대해 넓은 용접 면적을 확보하면서 알루미늄 층과의 접합력을 높일 수 있도록, 수직 단면 상으로 요철 구조가 형성될 수 있다.
이러한 요철 구조는 용융된 알루미늄 층이 요철 구조에 대응하여 금속 편에 접합될 수 있으므로, 실질적으로 금속 편과 알루미늄 층 사이에 넓은 용접 및 접합 면적이 형성될 수 있다. 또한, 일반적인 평면과 비교하여, 알루미늄 층과 접촉하는 면에서 금속 편의 용융 량이 높아 접합 신뢰성 또한 높은 장점이 있다.
또 다른 예로서, 상기 금속 편에는 하나 이상의 관통구가 천공되어 있고, 용접 시, 용융된 알루미늄 층의 적어도 일부가 관통구 상에서 접합될 수 있다.
일반적으로 라미네이트 시트의 전지케이스는 전극조립체 수납부와 수납부를 감싸는 커버가 밀착된 상태에서 열융착되는 구조로 이루어져 있는 바, 제 2 공간에서의 라미네이트 시트는 알루미늄 층이 금속 편의 상면과 하면에 각각 밀착하게 된다.
따라서, 상기 구조는, 용접 시, 금속 편의 상면과 하면에 각각 밀착된 알루미늄 층들의 일부가 용융되면서 관통구 상에서 상호 접합되는 동시에 금속 편은 상면과 하면 뿐만 아니라 관통구에서도 알루미늄 층과 접합될 수 있으므로 용접 신뢰성과 접합 강도가 매우 높다.
상기 금속 편은 또한, 열융착 예정부 및 금속 편 사이에 불필요한 공간, 예를 들어, 라미네이트 시트와 금속 편의 단부가 밀착되지 않으면서 열융착 예정부와 금속 편의 단부 사이에 형성되는 공간이 형성되지 않도록 그것의 일부에 구조물이 형성된 구조 또는 일부가 변형된 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 금속 편의 적어도 일부는 열융착 예정부 방향으로 두께가 감소하는 테이퍼(taper) 구조로 이루어질 수 있고, 상기 일부는 열융착 예정부 방향으로의 금속 편 단부일 수 있다.
이러한 구조는 열융착 예정부(또는 '제 1 실링부')로부터 제 2 공간으로 연장되어 있는 부위에 테이퍼 된 금속 편의 단부가 삽입될 수 있고, 삽입된 단부는 라미네이트 시트의 알루미늄 층들과 밀착된 상태로 접합되면서 열융착 예정부(또는 '제 1 실링부')와 금속 편의 단부 사이에 불필요한 공간을 형성하지 않을 뿐만 아니라, 금속 편과 알루미늄 층의 밀착 면적을 증가시킨다.
이와는 달리, 상기 금속 편은 열융착 예정부 방향의 단부 및 상기 단부와 인접한 상면 및 하면이 외향 돌출된 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 구조는 용접 시, 금속 편에서 돌출된 단부로 인해, 금속 편 단부측의 용융 량이 증가할 수 있고, 이와 같이 용융된 금속 편의 단부는 열융착 예정부(또는 '제 1 실링부')로부터 제 2 공간으로 연장되어 있는 부위에 충진되면서 알루미늄 층들에 접합될 수 있는 바, 열융착 예정부(또는 ' 제 1 실링부')와 금속 편의 단부 사이에 불필요한 공간을 형성시키지 않고, 금속 편과 알루미늄 층의 접합 면적을 증가시킬 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 금속 편의 외면에 절연성 고분자 필름이 추가로 도포될 수 있으며, 이러한 구조에서, 상기 절연성 고분자 필름의 단부는 전지케이스의 제 2 실링부까지 연장된 상태로 도포되어 있을 수 있다.
즉, 절연성 고분자 필름은 금속 편과 제 2 실링부가 외부 환경에 노출되는 것을 차단하여, 전지셀의 조립 과정 또는 사용 과정에서 예기치 못한 상황, 예를 들어, 외부 도체의 접촉, 제 2 실링부의 부분적인 탈리로 인한 상호 접촉 등을 미연에 방지할 수 있고, 금속 편의 부식 또한 방지할 수 있다.
상기 절연성 고분자 필름은 전기절연성 소재로서, 금속박에 대한 절연성을 지니고 있는 물질로 이루어진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며 않으며, 그 중에서도 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 연신 또는 무연신 나일론, PTFE(polytetrafluoroethylene), PET(polyethylene terephthalate) 및 EVOH(ethylene vinyl alcohol) 등에서 선택되는 물질을 차단층으로서 포함하고 있는 것이 바람직하다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 차단성 금속층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 상세하게는 상기 절연성 고분자 필름은 열융착 또는 접착제에 의해 금속박에 부착되어 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 용접은 금속에 대한 용접이 가능한 방법이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 초음파 융착 또는 심 용접(seam welding)에 의해 금속 편과 알루미늄 층이 서로 용접될 수 있다.
이러한 용접은 또한, 초음파 융착기 또는 울트라 심 용접기(ultra seam welder)로 수행될 수 있다.
상기 초음파 융착기 또는 울트라 심 용접기는 제 2 공간의 폭과 대응하는 크기, 또는 열융착 예정부 폭 및 제 2 공간의 폭의 합과 대응하는 크기를 가진 용접 혼(horn)으로 금속 편과 알루미늄 층을 용접할 수 있으며, 울트라 심 용접기는 연속 공정이 가능한 롤러 형태의 용접 혼을 사용할 수 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 제 1 공간이 형성되어 있는 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 일측 단부로부터 연장되어 있거나 케이스 본체에 대해 독립적인 부재로 이루어진 커버로 구성되어 있으며,
상기 케이스 본체는 제 1 공간의 각 단부들로부터 외향으로 연장되어 있는 융착면들을 포함하고, 상기 융착면들과 커버가 대면하여 열융착 예정부들 및 제 2 공간들을 형성할 수 있다.
상기 열융착 예정부들은 각각 융착면의 폭 대비 20% 내지 40%의 폭으로 융착되어 제 1 실링부를 형성하고, 상기 제 2 공간은 융착면의 폭 대비 60% 내지 80%의 폭으로 금속 편과 용접되어 제 2 실링부를 형성할 수 있다.
여기서, 상기 열융착 예정부들의 폭이 상기 범위 초과로 너무 넓은 경우에는 금속 편의 장착과 용접이 용이하지 않으므로 바람직하지 않으며, 상기 범위 미만으로 너무 좁은 경우에는 열융착 공정이 용이하지 않고, 열융착 되더라도 융착 면적이 좁은 바, 제 1 실링부의 밀봉 신뢰성을 담보할 수 없다.
또한, 제 2 실링부는 제 2 공간에서, 금속 편과의 용접 신뢰성이 담보되도록, 용접 중 및/또는 용접 직후에는 가능한 넓은 폭으로 이루어지는 것이 유리하며, 상기와 같이 열융착 예정부(또는 '제 1 실링부')보다 더 넓은 폭으로 이루어질 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 제 2 실링부가 금속 편과 용접된 상태에서, 그것의 폭 대비 50% 내지 90% 만큼, 길이 방향으로 절삭될 수 있고, 이와 같이 절삭되는 경우, 전지셀에서 외주변('외주 실링부')이 차지하는 면적이 최소화되어 더욱 콤팩트한 전지셀을 구성할 수 있다.
일반적으로 파우치형 전지셀에서 외주 실링부는 밀봉의 신뢰성을 위하여 전지셀의 폭 및/또는 길이 대비 10% 내지 20%의 길이로 형성될 수 있다. 그러나, 파우치형 전지셀은 그것이 장착되기 위한 전기 장치의 외장 규격에 대응되기 위해, 외주 실링부가 차지하는 길이 만큼 전지케이스에 수납되는 전극조립체의 크기가 감소되는 단점이 있다.
여기서, 본 발명에 따른 전지셀은 금속 편이 용접되는 제 2 실링부가 추가로 형성되어 있어, 열융착에 의해 밀봉되는 제 1 실링부의 폭을 일반적인 파우치형 전지셀의 폭 보다 비약적으로 작게 설정할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 실링부의 폭은 전지셀의 폭 또는 길이 대비 3% 내지 5%일 수 있다.
뿐만 아니라, 상기와 같이, 제 2 실링부가 절삭되는 경우, 전지셀에서 외주 실링부들이 차지하는 면적 또는 폭이 최소화되어 일반적인 파우치형 전지셀과 비교하여, 더욱 콤팩트하게 전지셀을 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 제 2 실링부가 차지했던 길이 만큼 전극조립체를 확대하여 동일 외장 규격 대비 전지셀의 전력저장 용량과 출력을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지셀을 제공하는 다양한 방법을 제공한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 방법은,
(a) 제 1 공간에 전극조립체를 전해액과 함께 수납하고 커버와 케이스 본체를 대면시켜 열융착 예정부들과 제 2 공간을 형성하는 과정;
(b) 열융착 예정부들을 열융착하여 제 1 실링부를 형성하는 과정;
(c) 제 2 공간들에 금속 편을 삽입시키는 과정; 및
(d) 용접기로 제 2 공간 내의 전지케이스와 금속 편을 용접시켜 제 2 실링부를 형성하는 과정; 및
(e) 제 2 실링부의 길이 방향을 따라, 제 2 실링부의 폭 대비 30% 내지 90%만큼 제 2 실링부를 절삭시키는 과정;
을 포함할 수 있다.
상기 방법은, 열융착 예정부의 열융착 후, 금속 편을 제 2 공간에 장착 및 용접하는 것을 특징으로 하며, 열융착에 의해 전지케이스의 전반적인 형태가 형성된 상태에서 용접이 수행되므로, 보다 안정적인 용접 공정이 가능할 뿐만 아니라, 높은 치수 안정성, 예를 들어 전지셀의 폭과 길이가 소망하는 형태로 제조될 수 있다.
또한 상기 과정(b)에서 금속 편은 전극 단자가 위치하지 않은 제 2 공간에만 장착될 수 있고, 경우에 따라서는 금속 편이 전극 단자와 접촉하지 않도록, 전극 단자가 위치하는 제 2 공간의 일부에도 장착될 수 있다.
상기 과정(e)에서, 제 2 실링부의 절삭 범위는, 콤팩트한 전지셀 구성을 위하여, 제 2 실링부의 폭 대비 50% 내지 90%일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 방법은,
(a) 제 1 공간에 전극조립체를 전해액과 함께 수납하고 커버와 케이스 본체를 대면시켜 열융착 예정부들과 제 2 공간을 형성하는 과정;
(b) 금속 편을 열융착 예정부들 각각과 인접한 제 2 공간들에 장착하는 과정;
(c) 용접기로 제 2 공간 내의 전지케이스와 금속 편을 용접시키면서, 용접 시, 발생하는 열로 열융착 예정부들을 열융착하여 제 1 실링부와 제 2 실링부를 함께 형성하는 과정; 및
(d) 제 2 실링부의 길이 방향을 따라, 제 2 실링부의 폭 대비 30% 내지 90%만큼 제 2 실링부를 절삭시키는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방법은, 금속 편의 용접과 열융착 예정부의 열융착이 동시에 진행될 수 있으므로, 전반적으로 신속한 제조 공정이 가능하여 전지셀의 대량 생산에 유리하다.
상기 과정(d)에서, 제 2 실링부의 절삭 범위는, 콤팩트한 전지셀 구성을 위하여, 제 2 실링부의 폭 대비 50% 내지 90%일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 전지셀 및 제조 방법은, 금속 편을 전지케이스에 장착하여, 수분 침투 또는 전해액 누액에 대한 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 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 전지모듈, 상기 전지모듈을 하나 이상 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 외주 부위에 수분 및 전해액이 투과될 수 없는 금속 편이 장착되어 있어, 외부의 수분이 전극조립체가 수납된 제 1 공간으로 침투되거나 제 1 공간의 전해액이 외부로 누액되지 않는 구조로 이루어져 있다.
또한, 상기 전지셀은 금속 편이 상대적으로 강성이 약한 라미네이트 시트의 외주변을 지지함으로써 전지케이스의 강도가 높은 구조적 장점을 포함한다.
도 1은 종래의 라미네이트 시트로 형성된 파우치형 전지의 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 모식도이다;
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 전지케이스의 모식도이다;
도 6은 전지케이스의 제 2 공간에 금속 편이 장착되어 있는 구조를 나타낸 모식도이다;
도 7은 다양한 금속 편들의 형태를 나타낸 모식도이다;
도 8은 도 7에서 관통구를 포함하는 금속 편이 제 2 공간에 장착된 구조를 나타낸 모식도이다;
도 9는 제 2 실링부의 가공 형태를 나타낸 모식도이다;
도 10는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 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 전지셀이 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지셀(100)은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스(108)에 전해액과 함께 전극조립체(106)가 수납된 상태로 전지케이스(108)의 외주변들(112, 114a, 114b, 117)이 밀봉된 구조의 판상형(plate-shaped) 구조로 이루어져 있다.
외주변들(112, 114a, 114b, 117)은 전극조립체(106)의 전극 단자들(102, 104)이 돌출되어 있는 전단 외주변(112), 전단 외주변(112)과 연장되어 있고, 전지셀(100)의 측면를 형성하는 측부 외주변들(114a, 114b), 및 측부 외주변들(114a, 114b) 사이에서 연장되어 있고 전지셀(100)의 후면을 형성하는 후단 외주변(117)을 포함한다.
여기서, 측부 외주변들(114a, 114b)에는 플레이트 형상이고, 측부 외주변들(114a, 114b)의 길이와 동일한 길이의 금속 편들(120a, 120b)이 장착되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 측부 외주변들(114a, 114b)의 금속 편(120, 120')에 의해 수분이 침투할 수 없는 구조로 이루어져 있다.
금속 편(120, 120')은 전지케이스(106)의 특정 공간에 장착되어 수분 침투를 방지하도록 구성되어 있으며, 이하 도면들을 참조하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 4 및 도 5에는 본 발명에 따른 전지케이스의 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 전지케이스의 제 2 공간에 금속 편이 장착되어 있는 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 3과 함께 참조하면, 전지케이스(108)는 제 1 공간(210)이 형성되어 있는 케이스 본체(108b)와 케이스 본체(108b)의 일측 단부로부터 연장되어 있는 커버(108a)를 포함한다.
케이스 본체(108b)는 제 1 공간(210)의 단부로부터 외향으로 연장되어 있는 융착면들(240)을 포함한다.
커버(108a)는 융착면들(240)과 대면하면 열융착 예정부(230) 및 열융착 예정부(230)의 외측에 제 2 공간(220)을 형성한다.
전지케이스(108)는 폴리프로필렌 층(202), 알루미늄 층(204), 및 연신 나일론(206) 층 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트 층(208)을 포함하고, 열융착 예정부(230)는 융착면(240)의 폴리프로필렌 층과(202') 커버(108a)의 폴리프로필렌 층(202)이 서로 대면된 상태에서 상기 층들이 대칭적으로 배열되어 있다.
열융착 예정부(230)가 열융착되면 상호 대면된 폴리프로필렌 층들(202, 202')은 이들의 섬유가 서로 접합되면서 내측 수지층(도 6의 117)을 형성하고, 도 6에 도시된 바와 같이, 측면 외주변(114a, 114b)에서, 전지셀(100)의 제 1 실링부(150)를 형성한다.
금속 편(120)은 전지케이스(108)의 제 2 공간(220)에 삽입 및 장착될 수 있도록 구성되어 있다.
이러한 금속 편(120)은 제 2 공간(220)에 삽입된 상태에서 용접에 의해 제 2 공간(220)의 전지케이스(108) 일부와 결합되어, 제 2 실링부(152)를 형성한다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 제 2 실링부(152)에 액체가 투과될 수 없는 금속 편(120)이 장착되어 있어, 전극조립체(106)가 장착된 제 1 공간(160)으로 수분이 침투되지 않는 구조로 이루어져 있는 바, 수분으로 인한 문제점을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제 1 실링부(150)의 내측 수지층(117)을 통해 제 1 공간(210)의 전해액이 투과되더라도, 제 2 실링부(152)의 금속 편(120)이 전해액이 외부로 누액되는 경로를 차단하여 라미네이트 시트를 포함하는 전지셀(100)에서 발생하기 쉬운 전해액 누액을 미연에 방지할 수 있다.
여기서, 전지케이스(108)는, 제 2 공간(220)의 외면에 용접이 수행되면 제 2 공간(220)의 폴리프로필렌 층(202)이 용융되면서 알루미늄 층들(204a, 204b)이 제 2 공간(220)으로 노출되고, 알루미늄 층 알루미늄 층들(204a, 204b)과 금속 편(120)이 서로 밀착된 상태로 융착 및 접합된다.
금속 편(120)은 또한, 알루미늄 층 알루미늄 층들(204a, 204b)과의 용접 신뢰성이 높으면서도, 수분의 침투를 효과적으로 방지할 수 있는 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
이에 대해 도 7를 참조하면, 금속 편(120a)은 그것의 수직 단면 상으로 요철 구조(301)가 형성되어 있는 요철 구조(301)의 금속 편(120a)일 수 있다.
이러한 요철 구조(120a)는 용융된 알루미늄 층 알루미늄 층(204a, 204b)이 요철 구조(301)에 대응하여 금속 편(120a)에 접합될 수 있으므로, 실질적으로 금속 편(120a)과 알루미늄 층들(204a, 204b) 사이에 넓은 용접 및 접합 면적이 형성될 수 있다.
이와는 달리, 단부 방향에서 금속 편의 두께가 감소하도록 테이퍼(taper)된 구조(302)의 금속 편(120b) 또한 이용될 수 있다.
이러한 구조는 열융착 예정부(230)(또는 '실링부 114')로부터 제 2 공간(220)으로 연장되어 있는 부위(도 5의 115)에 테이퍼 된 금속 편(120b)의 단부(302)가 삽입될 수 있고, 삽입된 단부(302)는 라미네이트 시트의 알루미늄 층들(204a, 204b)과 밀착된 상태로 접합되면서 열융착 예정부(230)(또는 '제 1 실링부 150')와 금속 편의 단부 사이에 불필요한 공간을 형성하지 않을 뿐만 아니라, 금속 편(120b)과 알루미늄 층들(204a, 204b)의 밀착 면적을 증가시킬 수 있다.
금속 편(120c)은 또한, 하나 이상의 관통구(303)가 상부에서 하부로 천공되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
관통구(303)가 천공된 금속 편(120c)은 도 8에 도시된 바와 같이, 용접 시, 금속 편(120c)의 상면과 하면에 각각 밀착된 알루미늄 층들(204a, 204b)의 일부(204a, 204b)가 용융되면서 관통구(303) 내에서 상호 접합되는 동시에 금속 편(120c)은 상면과 하면 뿐만 아니라 관통구(303)에서도 알루미늄 층들(204a, 204b)과 접합될 수 있으므로 용접 신뢰성과 접합 강도가 매우 높은 장점이 있다.
금속 편(120d, 120e)의 또 다른 형태로서, 열융착 예정부(230) 방향의 단부와 인접한 상면 및 하면이 외향 돌출된 구조들(304, 305)로 이루어질 수 있다.
이러한 구조는 용접 시, 금속 편(120d, 120e)에서 돌출된 단부로 인해, 금속 편(120d, 120e) 단부측(304, 305)의 용융 량이 증가할 수 있고, 이와 같이 용융된 금속 편(120d, 120e)의 단부(304, 305)는 열융착 예정부(230)(또는 '제 1 실링부 150')로부터 제 2 공간으로 연장되어 있는 부위(도 5의 115)에 충진되면서 알루미늄 층들(204a, 204b) 접합될 수 있는 바, 열융착 예정부(230)(또는 '제 1 실링부 150')와 금속 편(120d, 120e)의 단부 사이에 불필요한 공간을 형성시키지 않고, 금속 편(120d, 120e)과 알루미늄 층(204a, 204b)의 접합 면적을 증가시킬 수 있다.
한편, 이상과 같이, 금속 편이 제 2 공간에 장착 및 결합되어 제 2 실링부가 형성되면, 도 9에서와 같이 제 2 실링부는 그것의 일부가 절삭될 수 있다.
구체적으로, 도 9을 참조하면, 제 2 실링부(152a)는 외측의 단부로부터 제 2 실링부(152a)의 폭(W1) 대비 대략 30%에 해당하는 단부 부위가 절단선(B-B')을 따라 제 2 실링부(152a)의 길이 방향(도 3의 A-A')으로 절삭될 수 있다.
일반적으로 파우치형 전지셀에서 외주변('외주 실링부')은 밀봉의 신뢰성을 위하여 전지셀의 폭 및/또는 길이 대비 10% 내지 20%의 길이로 형성될 수 있다. 그러나, 파우치형 전지셀은 그것이 장착되기 위한 전기 장치의 외장 규격에 대응되기 위해, 외주 실링부가 차지하는 길이 만큼 전지케이스에 수납되는 전극조립체의 크기가 감소되는 단점이 있다.
여기서, 본 발명에 따른 전지셀은 금속 편이 용접되는 제 2 실링부가 추가로 형성되어 있어, 열융착에 의해 밀봉되는 제 1 실링부의 폭을 일반적인 파우치형 전지셀의 폭 보다 비약적으로 작게 설정할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 실링부의 폭은 전지셀의 폭 또는 길이 대비 3% 내지 5%일 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 도 9에서와 같이, 제 2 실링부가 절삭되는 경우, 전지셀에서 실링부가 차지하는 면적 또는 폭이 최소화되어 일반적인 파우치형 전지셀과 비교하여, 더욱 콤팩트하게 전지셀을 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 제 2 실링부가 차지했던 길이 만큼 전극조립체를 확대하여 동일 외장 규격 대비 전지셀의 전력저장 용량과 출력을 증대시킬 수 있다.
도 9에는 설명의 편의를 위하여 절단선(B-B')을 제 2 실링부와 인접하게 도시하였으나, 금속 편이 제 2 공간 상에 공고히 접합되어 있다면, 절단선을 제 1 실링부와 근접하게 설정하여 제 2 실링부를 절삭시킬 수 있음은 물론이다.
도 10에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀이 모식적으로 도시되어 있다.
도 10를 참조하면, 전지셀(400)은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스(408)에 전해액과 함께 전극조립체(406)가 수납된 상태로 전지케이스(408)의 외주변들(412, 414a, 414b, 417)이 밀봉된 구조의 판상형(plate-shaped) 구조로 이루어져 있다.
외주변들(412, 414a, 414b, 417)은 전극조립체(406)의 전극 단자들(402, 404)이 돌출되어 있는 전단 외주변(412), 전단 외주변(412)과 연장되어 있고, 전지셀(400)의 측면를 형성하는 측부 외주변들(414a, 414b), 및 측부 외주변들(414a, 414b) 사이에서 연장되어 있고 전지셀(400)의 후면을 형성하는 후단 외주변(417)을 포함한다.
측부 외주변들(414a, 414b)에는 플레이트 형상이고, 측부 외주변들(414a, 414b)의 길이와 대략 동일한 길이의 금속 편들(420a, 420b)이 전지케이스(408) 내부에 각각 장착되어 있다.
후단 외주변(407)에는 플레이트 형상이고, 후단 외주변(407)의 길이와 대략 동일한 길이의 금속 편(422)이 전지케이스(408) 내부에 장착되어 있다.
한편, 전단 외주변(412)에는 전극 단자들(402, 404)와 접촉되지 않도록 전극 단자들(402, 404) 사이, 전극 단자들(402, 404) 각각의 측부에 3 개의 금속 편들(424a, 424b, 424c)이 전지케이스(408) 내부에 장착되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 수분이 침투되기 쉬운 외주변들(412, 414a, 414b, 417)에 수분의 침투가 불가능한 금속 편들(420a, 420b, 422, 424a, 424b, 424c)이 장착되어 있어, 수분 침투로 인한 전지셀의 안전성과 안정성 문제를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 전지셀은 금속 편들(420a, 420b, 422, 424a, 424b, 424c)이 전지셀의 외곽을 지지함으로써, 외력에 의해 소망하지 않는 변형, 예를 들어, 전지셀 형상이 뒤틀리거나 찌그러지는 현상이 억제될 수 있는 구조로 이루어져 있다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (23)

  1. 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전해액과 함께 전극조립체가 수납된 상태로 전지케이스의 외주변들이 밀봉된 구조의 판상형(plate-shaped) 전지셀로서,
    상기 전지케이스는,
    열융착되어 전지셀의 제 1 실링부(first sealing portion)를 형성하는 열융착 예정부들;
    전극조립체가 수납되는 제 1 공간;
    상기 열융착 예정부들과 함께 전지케이스의 외주변을 이루고, 열융착 예정부들의 외측에 형성되어 있는 제 2 공간들;
    을 포함하고,
    상기 제 2 공간들 중 적어도 일부에는, 외부로부터 제 1 공간으로 수분이 침투되는 것을 차단하기 위한 금속 편이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 편은 제 2 공간에서 전지케이스의 금속층과 용접에 의해 결합되어 제 2 실링부를 형성하고, 상기 제 2 실링부는 수분이 제 1 실링부로 침투하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지케이스는 내부로부터 외부방향으로 폴리프로필렌(Polypropylene), 알루미늄, 및 나일론과 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 중의 적어도 하나가 순차적으로 층을 이루고 있는 파우치형 전지케이스이고,
    금속 편은 제 2 공간에서 전지케이스의 알루미늄 층과 용접되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전지케이스는, 용접에 의해 제 2 공간의 폴리프로필렌 층이 용융되면서 알루미늄 층이 제 2 공간으로 노출되면, 상기 알루미늄 층과 금속 편이 밀착된 상태로 상호 접합되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 편의 두께는 0.01 mm 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속 편의 두께는 0.1 mm 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 편은 열융착 예정부들의 길이 대비 50% 내지 100%의 길이로 이루어진 플레이트(plate)인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 편은 알루미늄, 구리, 납 및 주석에서 선택되는 하나 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 편의 외면에는, 알루미늄 층에 대해 넓은 용접 면적을 확보하면서 알루미늄 층과의 접합력을 높일 수 있도록, 수직 단면 상으로 요철 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 편에는 하나 이상의 관통구가 천공되어 있고, 용접 시, 용융된 알루미늄 층의 적어도 일부가 관통구 상에서 접합되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 편의 적어도 일부는 열융착 예정부 방향으로 두께가 감소하는 테이퍼(taper) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 편은 열융착 예정부 방향의 단부 및 상기 단부와 인접한 상면 및 하면이 외향 돌출된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 용접은 초음파 융착기 또는 울트라 심 용접기(ultra seam welder)로 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 제 1 공간이 형성되어 있는 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 일측 단부로부터 연장되어 있거나 케이스 본체에 대해 독립적인 부재로 이루어진 커버로 구성되어 있으며,
    상기 케이스 본체는 제 1 공간의 각 단부들로부터 외향으로 연장되어 있는 융착면들을 포함하고, 상기 융착면들과 커버가 대면하여 열융착 예정부들 및 제 2 공간들을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 열융착 예정부들은 각각 융착면의 폭 대비 20% 내지 50%의 폭으로 융착되어 제 1 실링부를 형성하고, 상기 제 2 공간은 융착면의 폭 대비 50% 내지 80%의 폭으로 금속 편과 용접되어 제 2 실링부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 실링부는 금속 편과 용접된 상태에서, 그것의 폭 대비 50% 내지 90% 만큼, 길이 방향으로 절삭되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 1 항에 있어서, 금속 편은 전극 단자가 위치하는 제 2 공간을 제외한 나머지 제 2 공간들에만 장착되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 1 항에 있어서, 금속 편은 전극 단자와 접촉하지 않도록, 전극 단자가 위치하는 제 2 공간의 일부 및 나머지 제 2 공간에 장착되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 제 1 공간에 전극조립체를 전해액과 함께 수납하고 커버와 케이스 본체를 대면시켜 열융착 예정부들과 제 2 공간을 형성하는 과정;
    (b) 열융착 예정부들을 열융착하여 제 1 실링부를 형성하는 과정;
    (c) 제 2 공간들에 금속 편을 삽입시키는 과정; 및
    (d) 용접기로 제 2 공간 내의 전지케이스와 금속 편을 용접시켜 제 2 실링부를 형성하는 과정; 및
    (d) 제 2 실링부의 길이 방향을 따라, 제 2 실링부의 폭 대비 30% 내지 90%만큼 제 2 실링부를 절삭시키는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 제 1 공간에 전극조립체를 전해액과 함께 수납하고 커버와 케이스 본체를 대면시켜 열융착 예정부들과 제 2 공간을 형성하는 과정;
    (b) 금속 편을 열융착 예정부들 각각과 인접한 제 2 공간들에 장착하는 과정;
    (c) 용접기로 제 2 공간 내의 전지케이스와 금속 편을 용접시키면서, 용접 시, 발생하는 열로 열융착 예정부들을 열융착하여 제 1 실링부와 제 2 실링부를 함께 형성하는 과정; 및
    (d) 제 2 실링부의 길이 방향을 따라, 제 2 실링부의 폭 대비 30% 내지 90%만큼 제 2 실링부를 절삭시키는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지모듈.
  22. 제 21 항에 따른 전지모듈을 하나 이상 포함하는 전지팩.
  23. 제 22 항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
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