KR20170021102A

KR20170021102A - 전지 셀

Info

Publication number: KR20170021102A
Application number: KR1020150115501A
Authority: KR
Inventors: 김진영; 김정진; 정기수; 정원석; 조승수; 최승돈
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2017-02-27
Also published as: KR102056363B1

Abstract

본 발명은, 전극 리드 상에 파우치 외장재와 열 융착하는 리드 실링 부재와 리드 파단 부재를 구비하고 스웰링 현상의 발생 동안에 내부 가스와 리드 파단 부재를 이용하여 전극 리드를 적절히 파단시켜 전극 리드에 흐르는 충전 또는 방전 전류를 차단하는데 적합한 전지 셀을 개시한다. 본 발명에 따르는 전지 셀은, 파우치 외장재에 의해 밀봉되는 전극 조립체와 전해질, 그리고 파우치 외장재의 실링 영역과 열 융착하는 리드 실링 부재를 가지며, 전극 조립체로부터 연장하며 리드 실링 부재를 관통하여 파우치 외장재로부터 인출되고, 전극 조립체와 리드 실링 부재 사이에 위치되어 파우치 외장재와 열 융착하는 적어도 하나의 리드 파단 부를 가지는 전극 리드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전지 셀{Battery Cell}

본 발명은 스웰링 현상으로 발생되는 내부 가스를 이용하여 충전 전류 또는 방전 전류를 차단시켜 스웰링 현상의 계속적인 진행을 방지하는데 적합한 전지 셀에 관한 것이다.

최근에, 차량의 배출 가스에 기인한 대기 오염을 줄이기 위해서, 차량은 내연 기관 및/ 또는 전기 모터를 이용해서 구동력을 확보하려는 연구에 바탕을 두고 제조되고 있다. 이에 따라서, 상기 차량은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 및 전기 자동차의 순서로 진화되었다. 이 경우에, 상기 하이브리드 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차는 내연 기관, 전기 모터와 배터리 팩을 가지며, 상기 전기 자동차는 내연 기관 없이 전기 모터와 전지 팩을 갖는다.

상기 전지 팩은 전기 자동차의 외부 및/ 또는 내부에서 충전 가능하도록 구성된다. 상기 전지 팩은 적어도 하나의 전지 셀을 갖는다. 상기 전지 셀은 일반적으로 캔형 타입 또는 파우치 타입으로 이루어진다. 여기서, 상기 파우치 타입의 전지 셀은 가벼운 무게와 저렴한 단가로 인해서 중대형 전지 모듈을 제조하는데 많이 이용된다. 상기 파우치 타입의 전지 셀은 파우치 외장재, 전지 조립체, 전해질, 실링 부재와 전극 리드를 갖는다.

상기 파우치 외장재는 전지 조립체와 전해질을 밀봉하고 가장 자리의 실링 영역을 통해 실링 부재와 열 융착한다. 상기 파우치 외장재는 금속 박층과, 금속 박층을 샌드 위치의 구조로 둘러싸는 폴리머 박층들을 갖는다. 상기 전지 조립체는 띠 형상으로 이루어진 음극 판과 양극 판 사이에 분리 막을 개재시킨 적층체를 나선형으로 권취하여 젤리-롤 구조로 이루어지거나 띠 형상의 분리 필름의 소정 영역들 상에 음극 판, 분리 막과 양극 판으로 이루어진 적층체들을 수평으로 각각 위치시켜 적층체들을 분리 필름과 함께 감은 스택 폴딩 구조 등을 갖는다.

상기 음극 판과 양극 판은 음극 활물질 및 양극 활물질에 의해 각각 코팅되며, 상기 음극 활물질은 탄소계 화합물로 이루어지고, 상기 양극 활물질은 리튬계 금속 화합물로 이루어진다. 상기 전해질은 전지 조립체와 접촉하여 전지 셀의 반복적인 충전 및 방전 동안에 전지 조립체의 음극 또는 양극으로 리튬 이온을 전달하는 매개체 역할을 한다. 상기 실링 부재는 전극 리드와 교차하는 파우치 외장재의 실링 영역에서 전극 리드를 둘러싸서 파우치 외장재의 밀봉 특성을 향상시킨다.

상기 실링 부재는 폴리머 박층으로 이루어진다. 상기 전극 리드는 파우치 외장재의 내부에서 전극 조립체와 전기적으로 접속하고 파우치 외장재의 내부로부터 외부를 향해 인출된다. 상기 전극 리드는 금속 물질로 이루어져 전극 조립체로부터 일 방향에 또는 양 방향에 두 개 위치되며 충방전 전류의 전기적 경로를 제공한다. 그러나, 상기 전지 셀은 장시간 동안 고온 저장되거나 과충전, 과방전 또는 내부 단락과 같은 이상 상황에 접하는 때에 전해질의 부반응에 기인하여 스웰링 현상으로 부풀게 된다.

상기 스웰링 현상은 파우치 외장재의 부피를 증가시키고 파우치 외장재의 실링 영역의 접착력을 약화시켜 파우치 외장재의 실링 영역을 통해 전해액을 누출시키거나 전해질의 부 반응의 가속화로 인하여 파우치 외장재의 내부를 고온 및 고압 환경으로 만들어 전지 셀을 발화 또는 폭발시킨다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 스웰링 현상의 발생 동안에 파우치 외장재의 내부에 발생되는 가스 압력을 이용하여 전극 리드에 흐르는 충전 또는 방전 전류를 적절히 차단하는데 적합한 전지 셀을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 셀은, 파우치 외장재에 의해 밀봉되는 전극 조립체와 전해질, 그리고 상기 파우치 외장재의 실링 영역과 열 융착하는 리드 실링 부재를 가지며, 상기 전극 조립체로부터 연장하며 상기 리드 실링 부재를 관통하여 상기 파우치 외장재로부터 인출되고, 상기 전극 조립체와 상기 리드 실링 부재 사이에 위치되어 상기 파우치 외장재와 열 융착하는 적어도 하나의 리드 파단 부를 가지는 전극 리드를 포함하고, 상기 리드 파단 부는 상기 전극 리드에 'Z' 자의 형상을 이루는 복수의 안착 설정 노치 홈, 그리고 상기 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측과 우측에서 상기 복수의 안착 설정 노치 홈을 따라 삼각 기둥의 형상으로 상기 전극 리드의 하면 및 상면에 각각 접착되는 한 쌍의 리드 파단 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라서, 각 안착 설정 노치 홈은 상기 상면에서 소정 지름의 원형의 모양으로 시작하여 상기 하면에서 첨점으로 끝날 수 있다.

바람직하게, 상기 복수의 안착 설정 노치 홈은 상기 전극 리드의 가장자리에 상기 'Z' 자의 형상에서 두 변이 만나는 부위를 가질 수 있다.

본 발명에 따라서, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재는 상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분을 기준으로 상기 좌측과 상기 우측에서 동일한 체적을 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분을 기준으로 상기 좌측에 위치되는 리드 파단 부재는 상기 전극 리드의 좌측 가장자리를 상부에서 덮고, 상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분을 기준으로 상기 우측에 위치되는 리드 파단 부재는 상기 전극 리드의 우측 가장자리를 하부에서 덮을 수 있다.

일 측면에서, 각 리드 파단 부재는 상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분을 기준으로 상기 좌측 또는 상기 우측에서 상기 전극 리드 상에 직각 삼각형의 모양으로 이루어지는 중첩 면적을 가질 수 있다.

다른 측면에서, 각 리드 파단 부재는 상기 'Z' 자의 형상에서 두 변이 만나는 교점 부위에 상기 직각 삼각형의 최소 내각을 이룰 수 있다.

또 다른 측면에서, 각 리드 파단 부재는 상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분을 기준으로 상기 좌측 또는 상기 우측에서 상기 전극 리드의 사이드 단부 상에 위치하도록 상기 직각 삼각형의 최소 내각과 마주하는 대변을 가질 수 있다.

또 다른 측면에서, 각 리드 파단 부재는 상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분 주변에 상기 직각 삼각형의 빗변을 가질 수 있다.

또 다른 측면에서, 각 리드 파단 부재는 상기 직각 삼각형의 최소 내각 주변에서 나머지 내각 주변보다 더 높은 밀도의 안착 설정 노치 홈으로 둘러싸일 수 있다.

본 발명에 따라서, 상기 리드 실링 부재는 상기 전극 리드의 상면 또는 하면 상에서 상기 한 쌍의 리드 파단 부재와 동일한 두께를 가질 수 있다.

본 발명에 따라서, 상기 전극 리드는 두 개 이상의 리드 파단 부를 가지며 상기 두 개 이상의 리드 파단 부 사이에 복수의 경계 설정 노치 홈을 가질 수 있다.

바람직하게, 각 경계 설정 노치 홈은 각 안착 설정 노치 홈과 동일한 형상을 가질 수 있다.

일 측면에서, 상기 전극 리드의 좌측 가장자리에 위치되는 리드 파단 부는 상기 전극 리드의 상기 좌측 가장자리를 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측의 리드 파단 부재에 의해 덮히고, 상기 전극 리드의 우측 가장자리에 위치되는 리드 파단 부는 상기 전극 리드의 상기 우측 가장자리를 상기 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 상기 우측의 리드 파단 부재에 의해 덮힐 수 있다.

본 발명에 따르는 전지 셀은, 파우치 외장재의 실링 영역에서 전극 리드 상에 리드 실링 부재와 리드 파단 부를 구비하여 파우치 외장재에 리드 실링 부재와 리드 파단 부를 열 융착시키므로 스웰링 현상의 발생 동안 파우치 외장재의 내부 가스의 압력에 의해 전극 리드로부터 리드 파단 부를 뜯어서 복수의 노치 홀 사이의 크랙라인을 통해 전극 리드를 용이하게 파단시킬 수 있다.

본 발명에 따르는 전지 셀은, 스웰링 현상의 발생 동안 파우치 외장재를 통해 리드 파단 부와 리드 파단 부 주변에 위치되는 복수의 노치 홀을 통해 전극 리드를 파단시키므로 전극 리드에 흐르는 충전 또는 방전 전류를 차단하여 스웰링 현상의 가속화를 방지하고 스웰링 현상의 계속적인 진행으로 야기되는 발화 또는 폭발을 막을 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 실시 예에 따른 전지 셀을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 전지 셀을 보여주는 분해 사시도이다.
도 3은, 도 1의 전지 셀의 제1 전극 리드에서 리드 실링 부재와 리드 파단 부를 보여주는 평면도이다.
도 4는, 도 3의 절단선 Ⅰ - Ⅰ' 를 따라 취해 제1 전극 리드, 리드 실링 부재와 리드 파단 부를 보여주는 단면도이다.
도 5는, 도 3의 변형 예에 따른 제1 전극 리드에서 리드 실링 부재와 리드 파단 부를 보여주는 평면도이다.
도 6 내지 도 10은, 도 1의 전지 셀의 제조 방법과 작동 매커니즘을 설명하는 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하에서 설명되는 실시 예에 있어서, 전지 셀은 리튬 이차 전지를 일컫는다. 여기서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극과 음극에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다. 하지만 본 발명은 전지의 종류에 한정되지 않음은 자명하다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전지 셀을 개략적으로 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1의 전지 셀을 보여주는 분해 사시도이다.

또한, 도 3은 도 1의 전지 셀의 제1 전극 리드에서 리드 실링 부재와 리드 파단 부를 보여주는 평면도이고, 도 4는 도 3의 절단선 Ⅰ - Ⅰ' 를 따라 취해 제1 전극 리드, 리드 실링 부재와 리드 파단 부를 보여주는 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 셀(80)은 파우치 외장재(10), 전지 조립체(30), 전해질(도면에 미 도시), 전극 리드(69)와 리드 실링 부재(70)를 포함한다. 상기 파우치 외장재(10)는 일 측부에서 서로에 대해 이어지는 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8)를 포함한다.

여기서, 상기 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8)가 한 변을 공유하여 서로 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 상기 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8)는 서로로부터 분리될 수도 있다. 바람직하게, 상기 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8)는 금속 박층과, 금속 박층을 샌드 위치의 구조로 둘러싸는 폴리머 박층들로 이루어진다.

상기 안착 케이스(4)는 파우치 외장재(10)의 하부 측에 위치되어 중앙 영역에 요부 형상의 안착 구(4A)와 가장 자리에 하부 실링 영역(4B)을 갖는다. 유사하게, 상기 수용 케이스(8)는 파우치 외장재(10)의 상부 측에 위치되어 중앙 영역에 요부 형상의 수용 구(8A)와 가장 자리에 상부 실링 영역(8B)을 갖는다.

여기서, 상기 안착 구(4A)와 수용 구(8A)는 파우치 외장재(10)에서 상하로 마주보며, 상기 하부 실링 영역(4B)과 상부 실링 영역(8B)은 형상 정합되어 서로에 대해 열 융착될 수 있다. 상기 하부 실링 영역(4B)과 상부 실링 영역(8B)은 파우치 외장재(10)의 실링 영역(10A)을 구성한다.

상기 전극 조립체(30)는 파우치 외장재(10)의 안착 구(4A)와 수용 구(8A)에 위치하여 파우치 외장재(10)에 의해 밀봉된다. 여기서, 상기 전해질도 안착 구(4A)와 수용 구(8A)에 충진되어 전극 조립체(30)와 접촉하며 전극 조립체(30)와 함께 파우치 외장재(10)에 의해 밀봉될 수 있다.

상기 전극 조립체(30)는 띠 형상의 분리 필름의 일 면의 소정 영역들 상에 음극(또는 양극) 판, 분리 막과 양극(또는 음극) 판으로 이루어진 제1 단위 적층체 또는 음극(또는 양극) 판, 분리 막, 양극(또는 음극) 판, 분리 막과 음극(또는 양극) 판으로 이루어진 제2 단위 적층체를 위치시켜 복수의 제1 단위 적층체 또는 복수의 제2 적층체를 분리 필름과 함께 권취시킨 스택 폴딩 구조를 갖는다.

상기 음극 판, 분리 막과 양극 판은 정사각형 또는 직사각형의 형상을 이루고, 상기 음극 판과 양극 판은 음극 활물질 또는 양극 활물질로 코팅된다. 상기 음극 활물질은 탄소계 또는 실리콘계 화합물로 이루어지고, 상기 양극 활물질은 리튬계 금속 화합물로 이루어진다.

또한, 상기 전극 조립체(30)는 일 측부에서 복수의 제1 단위 적층체 또는 복수의 제2 단위 적층체의 음극 판들에 각각 연결되는 음극 탭(26)들과, 복수의 제1 단위 적층체 또는 복수의 제2 단위 적층체의 양극 판들에 연결되는 양극 탭(29)들을 갖는다.

상기 전극 리드(69)는 제1 전극 리드(64)와 제2 전극 리드(68)를 포함한다. 바람직하게, 상기 제1 전극 리드(64)와 제2 전극 리드(68)는 금속 물질로 이루어진다. 일 측면에서, 상기 제1 전극 리드(64)와 제2 전극 리드(68)는 음극 탭(26)들과 양극 탭(28)들에 전기적으로 각각 접속된다.

다른 측면에서, 상기 제1 전극 리드(64)와 제2 전극 리드(68)는 파우치 외장재(10)의 내부 및 외부에서 실질적으로 동일한 구조를 갖는다. 따라서, 상기 제1 전극 리드(64)의 설명은 제2 전극 리드(68)에 대해서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.

상기 제1 전극 리드(64)는 음극 탭(26)의 반대 편에서 리드 파단 부(50)를 갖는다. 상기 리드 파단 부(50)는 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 안착 설정 노치 홈(43)과 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)를 갖는다. 상기 복수의 안착 설정 노치 홈(43)은 제1 전극 리드(64)에 'Z' 자의 형상을 이룬다.

바람직하게, 상기 복수의 안착 설정 노치 홈(43)은 제1 전극 리드(64)의 가장자리에 'Z' 자의 형상에서 두 변이 만나는 교점 부위를 갖는다. 바람직하게, 각 안착 설정 노치 홈(43)은 도 4에 도시된 바와 같이 전극 리드(64)의 상면에서 소정 지름의 원형의 모양으로 시작하여 제1 전극 리드(64)의 하면에서 첨점으로 끝난다.

즉, 각 안착 설정 노치 홈(43)은 제1 전극 리드(64)의 상면으로부터 하면을 향해 역 원뿔의 형상을 갖는다. 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)는 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측과 우측에서 복수의 안착 설정 노치 홈(43)을 따라 삼각 기둥의 형상으로 접착제 또는 열 융착을 통해 제1 전극 리드(64)의 상면 및 하면에 각각 접착된다.

도 3을 기준으로 제1 전극 리드(64)를 평면적으로 볼 때에, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49) 중 하나(46) 만이 상면에서 실선으로 표시되어 육안으로 확인되고, 나머지(49)는 하면에서 점선으로 표시되어 육안으로 확인되지 않는다. 바람직하게, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)는 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측과 우측에서 동일한 체적을 갖는다.

상기 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측에 위치되는 리드 파단 부재(46)는 제1 전극 리드(64)의 좌측 가장자리를 상부에서 덮고, 상기 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 우측에 위치되는 리드 파단 부재(49)는 제1 전극 리드(64)의 우측 가장자리를 하부에서 덮는다.

일 측면에서, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)의 각각은 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측 또는 우측에서 제1 전극 리드(64) 상에 직각 삼각형의 모양으로 이루어지는 중첩 면적을 갖는다. 다른 측면에서, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)의 각각은 'Z' 자의 형상에서 두 변이 만나는 교점 부위에 직각 삼각형의 최소 내각을 이룬다.

또 다른 측면에서, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)의 각각은 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측 또는 우측에서 제1 전극 리드(64)의 사이드 단부 상에 위치하도록 직각 삼각형의 최소 내각과 마주하는 제1 변(=대변)을 갖는다. 상기 제1 변의 길이(L3)는 제1 전극 리드(64)의 길이 방향으로 위치되며, 제1 전극 리드(64)의 폭(L1)보다 작은 크기를 갖는다.

또 다른 측면에서, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)의 각각은 'Z' 자의 형상의 사선 부분 주변에 직각 삼각형의 빗변을 갖는다. 또 다른 측면에서, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)의 각각은 직각 삼각형의 빗변 및 제1 변과 이어지는 직각 삼각형의 제2 변(=밑변)을 가지며, 상기 제2 변의 길이(L2)는 제1 전극 리드(64)의 길이 방향에 직각으로 위치되며, 제1 전극 리드(64)의 폭(L1)보다 작고 제1 변의 길이(L3)보다 큰 크기를 갖는다.

또 다른 측면에서, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)의 각각은 직각 삼각형의 최소 내각 주변에서 나머지 내각 주변보다 더 높은 밀도의 안착 설정 노치 홈(43)으로 둘러싸인다. 여기서, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)는 파우치 외장재(10)에서 안착 케이스(4)의 하부 실링 영역(4B)과 수용 케이스(8)의 상부 실링 영역(8B)에 각각 열 융착된다.

따라서, 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)는 열 융착이 가능한 수지 조성물, 예컨대 폴리올레핀 또는 변성된 폴리올레핀 수지 조성물로 이루어진다. 한편, 상기 리드 실링 부재(70)는 제1 전극 리드(64) 상에서 음극 탭(26)으로부터 리드 파단 부(50)보다 더 멀리 위치된다.

즉, 상기 리드 파단 부(50)는 음극 탭(26)과 리드 실링 부재(70) 사이에 위치된다. 바람직하게, 상기 리드 실링 부재(70)는 수지 조성물로 이루어진 하부 필름과 상부 필름으로 이루어지며 상부 필름과 하부 필름 사이에 의해 제1 전극 리드(64)를 둘러싸며 접착제 또는 열 융착을 통해 제1 전극 리드(64)에 접착된다.

상기 하부 필름과 상부 필름은 적정한 온도에서 제1 전극 리드(64)에 열 융착되는 폴리올레핀 또는 변성된 폴리올레핀 수지 조성물로 이루어진다. 여기서, 상기 제1 전극 리드(64)는 음극 탭(26)들로부터 연장하며 리드 실링 부재(70)를 관통하여 파우치 외장재(10)로부터 인출되어 외부에 노출된다.

일 측면에서, 상기 리드 실링 부재(70)는 파우치 외장재(10)에서 안착 케이스(4)의 하부 실링 영역(4B)과 수용 케이스(8)의 상부 실링 영역(8B)에 열 융착된다. 다른 측면에서, 상기 리드 실링 부재(70)는 제1 전극 리드(64)의 상면 또는 하면 상에서 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)와 실질적으로 동일한 두께(T)를 갖는다.

도 5는, 도 3의 변형 예에 따른 제1 전극 리드에서 리드 실링 부재와 리드 파단 부를 보여주는 평면도이다. 도 5에서, 상기 제1 전극 리드(64)의 설명은 도 1의 제2 전극 리드(68)에도 실질적으로 동일하게 적용된다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 변형 예에 따른 제1 전극 리드(64)는 두 개의 리드 파단 부(50A, 50B)와 복수의 경계 설정 노치 홈(44)을 포함한다. 여기서, 상기 두 개의 리드 파단 부(50A, 50B)의 각각은 'Z'자의 형상으로 이루어지는 복수의 안착 설정 노치 홈(43A)과, 제1 전극 리드(64)의 상면 및 하면에서 'Z'자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측 및 우측에 각각 위치되는 한 쌍의 리드 파단 부(46A, 49A)를 포함한다.

각 안착 설정 노치 홈(43A)은 도 3의 각 안착 설정 노치 홈(43)과 유사한 구조를 갖는다. 상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46A, 49A)는 도 3의 한 쌍의 리드 파단 부(46, 49)보다 더 작은 체적으로 이루어지지만 한 쌍의 리드 파단 부(46, 49)와 유사하게 삼각기둥의 형상을 갖는다.

상기 제1 전극 리드(64)를 평면적으로 볼 때에, 상기 리드 파단 부재(46A)는 제1 전극 리드(64)의 상면에서 실선으로 표시되어 육안으로 확인되지만, 상기 리드 파단 부재(49A)는 제1 전극 리드(64)의 하면에서 점선으로 표시되어 육안으로 확인되지 않는다.

또한, 상기 제1 전극 리드(64)의 좌측 가장자리에 위치되는 리드 파단부(50A)는 제1 전극 리드(64)의 좌측 가장자리를 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측의 리드 파단 부재(46A)에 의해 덮히고, 상기 제1 전극 리드(64)의 우측 가장자리에 위치되는 리드 파단부(50B)는 제1 전극 리드(64)의 우측 가장자리를 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 우측의 리드 파단 부재(49B)에 의해 덮힌다.

상기 복수의 경계 설정 노치 홈(44)은 두 개의 리드 파단 부(50A, 50B) 사이에 위치되며, 각 경계 설정 노치 홈(44)은 각 안착 설정 노치 홈(43A)과 동일한 형상을 갖는다.

본 발명에 있어서, 상기 두 개의 리드 파단부(50A, 50B)는 제1 전극 리드(64)에 세 개 이상의 리드 파단부로 대체될 수 있다. 이 경우에, 상기 복수의 경계 설정 노치 홈(43A)는 세 개 이상의 리드 파단부 사이에 위치될 수 있다.

도 6 내지 도 10은, 도 2의 전지 셀의 제조 방법과 작동 매커니즘을 설명하는 개략도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 파우치 외장재(10), 전극 조립체(30), 전해질(도면에 미도시), 제1 및 제2 전극 리드(64, 68)와 리드 실링 부재(70)가 준비될 수 있다. 다음으로, 상기 전극 조립체(30)는 파우치 외장재(10)에서 안착 케이스(4)의 안착 구(4A)에 위치되고, 상기 제1 및 제2 전극 리드(64, 68)는 전극 조립체(30)의 일 측부에서 전극 조립체(30)의 음극 탭(26)과 양극 탭(29)에 용접을 이용하여 각각 접합될 수 있다.

상기 제1 및 제2 전극 리드(64, 68)의 각각은 리드 파단 부(50)를 가지며, 리드 판단 부(50)에 복수의 안착 설정 노치 홈(43)과 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)를 갖는다. 상기 복수의 안착 설정 노치 홈(43)과 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)는 도 1 내지 도 4에서 이미 설명되었다.

상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)는 제1 및 제 2 전극 리드(64, 68)의 각각에 접착제 또는 열 융착을 이용하여 접착될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극 리드(64)는 일 단을 통해 전극 조립체(30)의 음극 탭(26)에 고정되며 타 단을 통해 안착 케이스(4)의 하부 실링 영역(4B) 상에 걸쳐져 하부 실링 영역(4B)으로부터 돌출된다.

이후로, 상기 제1 전극 리드(64)의 설명은 제2 전극 리드(68)에 대해서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다. 계속해서, 상기 리드 실링 부재(70)가 제1 및 제2 전극 리드(64, 68)의 각각의 타 단에 배치될 수 있다. 상기 리드 실링 부재(70)는 제1 및 제 2 전극 리드(64, 68)의 각각을 둘러싸며 제1 및 제 2 전극 리드(64, 68)의 각각에 접착제 또는 열 융착을 이용하여 접착될 수 있다.

상기 리드 실링 부재(70)는 제1 전극 리드(64) 또는 제2 전극 리드(68) 상에서 전극 조립체(30)로부터 리드 파단 부(50)보다 더 멀리 위치된다. 이어서, 상기 전해질이 안착 케이스(4)의 안착 구(4A)에 충진되고, 상기 파우치 외장재(10)의 수용 케이스(8)가 안착 케이스(4)를 덮을 수 있다.

이 때에, 상기 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8)는 안착 구(4A)와 수용 구(8A)를 통해 전극 조립체(30)를 덮고, 하부 실링 영역(4B)과 상부 실링 영역(8B)을 통해 제1 및 제2 전극 리드(64, 68)와 리드 실링 부재(70)를 덮는다. 이후로, 상기 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8)는 하부 실링 영역(4B)과 상부 실링 영역(8B)을 통해 열 융착되어 전극 조립체(30)와 전해질을 밀봉시킬 수 있다.

또한, 상기 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8)는 하부 실링 영역(4B)과 상부 실링 영역(8B)을 통해 리드 파단 부(50)들 및 리드 실링 부재(70)들과 열 융착할 수 있다. 이를 통해, 상기 파우치 외장재(10), 전극 조립체(30), 전해질, 제1 및 제2 전극 리드(64, 68)와 리드 실링 부재(70)는 전지 셀(80)을 구성할 수 있다.

도 8 내지 도 10을 참조하면, 상기 전지 셀(80)은 제1 및 제2 전극 리드(64, 68)를 통해 충전 또는 방전될 수 있다. 여기서, 상기 전지 셀(80)이 과 충전 또는 과 방전되어 장 시간으로 고온 저장되는 경우, 상기 전지 셀(80)은 음극 상에 형성된 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface; SEI)에서 전해질의 부 반응을 야기시켜 다량의 열과 가스를 발생시킬 수 있다.

또는, 상기 전제 셀(80)이 파우치 외장재(10)를 통해 외부 충격으로 전극 조립체(30)의 변형을 받는 경우에, 상기 전지 셀(80)은 내부 회로에 전기적 단락을 통해 주울 열에 의해서도 전해질의 분해 반응을 야기시켜 다량의 열과 가스를 발생시킬 수 있다.

상술된 바와 같은 전해질의 부 반응 또는 전해질의 분해 반응은 도 8에 도시된 바와 같이 파우치 외장재(10)의 내부에 가스의 양을 급작스럽게 증폭시켜 안착 케이스(4) 및 수용 케이스(8)에 내부 가스의 압력(P)을 크게 작용시키고 내부 가스의 압력(P)으로 파우치 외장재(10)의 부피를 초기보다 더 크게 증가시켜 파우치 외장재(10)에 스웰링 현상을 유도하도록 수행될 수 있다.

상기 스웰링 현상이 파우치 외장재(10)에 유도된 후에, 상기 파우치 외장재(10)는 내부 가스의 압력(P)을 통해 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8) 사이의 공간을 확장시킬 수 있다. 이 때, 상기 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8)는 제1 전극 리드(64) 또는 제2 전극 리드(68)로부터 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)를 뜯어낼 수 있다.

상세하게는, 상기 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8)는 내부 가스의 압력(P)을 통해 표면적을 늘리면서 도 9에 도시된 바와 같이 제1 전극 리드(64) 또는 제2 전극 리드(68)에 구비된 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)에 제1 힘(F1)과 제2 힘(F2)을 작용할 수 있다.

상기 안착 케이스(4)와 수용 케이스(8)는 제1 힘(F1)과 제2 힘(F2)을 통해 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)와 제1 전극 리드(64)의 직각 삼각형의 중첩 면적들에서 직각 삼각형의 최소 내각에 위치되는 취약 부위들(도 9의 45, 48)로부터 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)를 먼저 부분적으로 뜯기 시작할 수 있다.

상기 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)가 취약 부위들(45, 48)로부터 뜯겨지는 동안에, 상기 제1 전극 리드(64)는 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)로부터 받은 응력을 복수의 안착 설정 노치 홈(43)에 집중시켜서 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)의 뜯김 이동을 따라 복수의 안착 설정 노치 홈(43) 사이에 크랙 라인(CL)을 유발시킬 수 있다.

상기 크랙 라인(CL)은 복수의 안착 설정 노치 홈(43)을 따라 형성되어 제1 전극 리드를 파단시켜 제1 전극 리드(64)를 두 조각(64A, 64B)으로 분리시킬 수 있다. 상기 크랙 라인(CL)은 제2 전극 리드(68)로부터 한 쌍의 리드 파단 부재(46, 49)를 뜯는 동안 제2 전극 리드(68)에도 유사하게 유발될 수 있다.

이를 통해서, 상기 전지 셀(80)은 제1 전극 리드(64) 및 제2 전극 리드(68)의 파단을 통해 충전 또는 방전 전류를 차단함으로써 스웰링 현상의 가속화와 계속적인 진행을 방지할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

43; 노치 홈
46, 49; 리드 파단 부재
50; 리드 파단 부
64; 제1 전극 리드
70; 리드 실링 부재
L1; 폭
L2, L3; 길이

Claims

파우치 외장재에 의해 밀봉되는 전극 조립체와 전해질, 그리고 상기 파우치 외장재의 실링 영역과 열 융착하는 리드 실링 부재를 가지는 전지 셀에 있어서,
상기 전극 조립체로부터 연장하며 상기 리드 실링 부재를 관통하여 상기 파우치 외장재로부터 인출되고, 상기 전극 조립체와 상기 리드 실링 부재 사이에 위치되어 상기 파우치 외장재와 열 융착하는 적어도 하나의 리드 파단 부를 가지는 전극 리드를 포함하고,
상기 리드 파단 부는 상기 전극 리드에 'Z' 자의 형상을 이루는 복수의 안착 설정 노치 홈, 그리고 상기 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측과 우측에서 상기 복수의 안착 설정 노치 홈을 따라 삼각 기둥의 형상으로 상기 전극 리드의 하면 및 상면에 각각 접착되는 한 쌍의 리드 파단 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제1항에 있어서,
각 안착 설정 노치 홈은 상기 상면에서 소정 지름의 원형의 모양으로 시작하여 상기 하면에서 첨점으로 끝나는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제1항에 있어서,
상기 복수의 안착 설정 노치 홈은 상기 전극 리드의 가장자리에 상기 'Z' 자의 형상에서 두 변이 만나는 부위를 가지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 리드 파단 부재는 상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분을 기준으로 상기 좌측과 상기 우측에서 동일한 체적을 가지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제1항에 있어서,
상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분을 기준으로 상기 좌측에 위치되는 리드 파단 부재는 상기 전극 리드의 좌측 가장자리를 상부에서 덮고,
상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분을 기준으로 상기 우측에 위치되는 리드 파단 부재는 상기 전극 리드의 우측 가장자리를 하부에서 덮는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제1항에 있어서,
각 리드 파단 부재는 상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분을 기준으로 상기 좌측 또는 상기 우측에서 상기 전극 리드 상에 직각 삼각형의 모양으로 이루어지는 중첩 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제6항에 있어서,
각 리드 파단 부재는 상기 'Z' 자의 형상에서 두 변이 만나는 교점 부위에 상기 직각 삼각형의 최소 내각을 이루는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제6항에 있어서,
각 리드 파단 부재는 상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분을 기준으로 상기 좌측 또는 상기 우측에서 상기 전극 리드의 사이드 단부 상에 위치하도록 상기 직각 삼각형의 최소 내각과 마주하는 대변을 가지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제6항에 있어서,
각 리드 파단 부재는 상기 'Z' 자의 형상의 상기 사선 부분 주변에 상기 직각 삼각형의 빗변을 가지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제6항에 있어서,
각 리드 파단 부재는 상기 직각 삼각형의 최소 내각 주변에서 나머지 내각 주변보다 더 높은 밀도의 안착 설정 노치 홈으로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제1항에 있어서,
상기 리드 실링 부재는 상기 전극 리드의 상면 또는 하면 상에서 상기 한 쌍의 리드 파단 부재와 동일한 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제1항에 있어서,
상기 전극 리드는 두 개 이상의 리드 파단 부를 가지며 상기 두 개 이상의 리드 파단 부 사이에 복수의 경계 설정 노치 홈을 가지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제12항에 있어서,
각 경계 설정 노치 홈은 각 안착 설정 노치 홈과 동일한 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
제12항에 있어서,
상기 전극 리드의 좌측 가장자리에 위치되는 리드 파단 부는 상기 전극 리드의 상기 좌측 가장자리를 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 좌측의 리드 파단 부재에 의해 덮히고,
상기 전극 리드의 우측 가장자리에 위치되는 리드 파단 부는 상기 전극 리드의 상기 우측 가장자리를 상기 'Z' 자의 형상의 사선 부분을 기준으로 상기 우측의 리드 파단 부재에 의해 덮히는 것을 특징으로 전지 셀.