KR20170025158A - 전지 셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 파우치 외장재의 외주 면에서 서로로부터 이격하도록 전극 조립체 상에 스위칭 패널과 전극 리드 상에 전극 리드와 접촉하는 스위칭 리드를 구비하여 스웰링 현상의 발생 동안에 내부 가스에 의해 스위칭 패널과 스위칭 리드를 단락시켜 주울 열을 통하여 전극 리드를 적절히 파단시키는데 적합한 전지 셀을 개시한다. 본 발명에 따르는 전지 셀은, 파우치 외장재의 내주 면에 의해 밀봉되는 전극 조립체와 전해질, 파우치 외장재의 실링 영역과 열 융착하는 실링 부재, 그리고 전극 조립체로부터 연장하며 실링 부재를 관통하여 파우치 외장재로부터 인출되는 적어도 하나의 전극 리드를 가지며, 전극 조립체 상에서 파우치 외장재의 외주 면에 고정되는 스위칭 패널; 및 파우치 외장재의 외주 면에 고정되고, 실링 부재와 교차하여 전극 리드와 전극 조립체를 향해 연장하는 스위칭 리드를 포함한다.

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 전지 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, 전극 조립체, 전해질, 실링 부재와 전극 리드를 갖는다.

상기 파우치 외장재는 가장 자리의 실링 영역을 통해 전극 조립체와 전해질을 밀봉하고 가장 자리의 실링 영역의 일부분을 통해 실링 부재와 열 융착한다. 상기 파우치 외장재는 금속 박층과, 금속 박층을 샌드 위치의 구조로 둘러싸는 폴리머 박층들을 갖는다. 상기 파우치 외장재의 내주 면을 이루는 폴리머 박층은 열에 의해 융착되는 폴리 올레핀 계열의 필름으로 구성되고, 상기 파우칭 외장재의 외주 면을 이루는 폴리머 박층은 우수한 기계적 내성을 갖는 나일론 필름으로 구성된다.

상기 전극 조립체는 띠 형상으로 이루어진 음극 판과 양극 판 사이에 분리 막을 개재시킨 적층체를 나선형으로 권취시킨 젤리-롤 구조로 이루어지거나 띠 형상의 분리 필름 상에 음극 판, 분리 막과 양극 판으로 이루어진 단위 적층체를 수평으로 복수 위치시켜 복수의 단위 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 전극 조립체와 접촉하여 전지 셀의 반복적인 충전 및 방전 동안에 전극 조립체의 음극 또는 양극으로 리튬 이온을 전달하는 매개체 역할을 한다. 상기 실링 부재는 전극 리드와 파우치 외장재 사이의 실링 영역에서 파우치 외장재와 전극 리드 사이에 개재되어 파우치 외장재의 밀봉 특성을 향상시킨다.

상기 실링 부재는 우수한 금속 접촉성을 갖는 폴리머 박층, 예컨대 변성 폴리올레핀 필름 등으로 이루어진다. 상기 전극 리드는 파우치 외장재의 내부에서 전극 조립체와 전기적으로 접속하고 파우치 외장재의 내부로부터 외부를 향해 인출된다. 상기 전극 리드는 금속 물질로 이루어지고, 전극 조립체 주변에서 전극 조립체에 전기적으로 접속하여 음극 리드와 양극 리드로 구성된다. 상기 음극 리드와 양극 리드는 파우치 외장재의 일 측부 통해 함께 인출되거나 양 측부를 통해 독립적으로 인출될 수 있다.

상기 전극 리드는 충방전 전류의 전기적 경로를 제공하거나 전지 셀을 전기적 병렬 또는 직렬 상태로 복수 연결 시에 기구적인 연결 매체를 제공한다. 한편, 상기 전지 셀은 장시간 동안 고온 저장되거나 과충전, 과방전 또는 내부 단락과 같은 이상 상태에 접하는 때에 전해질의 부반응 등으로 인해 내부에서 발생한 다량의 가스와 열에 기인한 스웰링 현상을 통하여 부풀게 된다.

상기 스웰링 현상은 파우치 외장재의 부피를 증가시키고 파우치 외장재의 실링 영역의 접착력을 약화시켜 파우치 외장재의 실링 영역을 통해 전해액을 누출시키거나 발열을 수반하는 전해질의 부 반응의 가속화로 인하여 파우치 외장재의 내부를 고온 및 고압 환경으로 만들어 결국에 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 충전 또는 방전을 적절히 중단시키는데 적합한 전지 셀을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 셀은, 파우치 외장재의 내주 면에 의해 밀봉되는 전극 조립체와 전해질, 상기 파우치 외장재의 실링 영역과 열 융착하는 실링 부재, 그리고 상기 전극 조립체로부터 연장하며 상기 실링 부재를 관통하여 상기 파우치 외장재로부터 인출되는 적어도 하나의 전극 리드를 가지며, 상기 전극 조립체 상에서 상기 파우치 외장재의 외주 면에 고정되는 스위칭 패널; 및 상기 파우치 외장재의 상기 외주 면에 고정되고, 상기 실링 부재와 교차하여 상기 전극 리드와 상기 전극 조립체를 향해 연장하는 스위칭 리드를 포함하고, 상기 스위칭 리드는 일 단부를 통해 상기 전극 리드에 고정되며 타 단부를 통해 상기 스위칭 패턴 바로 아래에 위치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 스위칭 패널과 상기 스위칭 리드는 금속 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 스위칭 패널은 상기 전극 리드의 길이 방향에서 상기 전극 조립체로부터 상기 스위칭 리드를 향해 연장할 수 있다.

바람직하게, 상기 스위칭 패널은 상기 전극 리드 상에서 상기 스위칭 리드를 부분적으로 덮을 수 있다.

일 측면에서, 상기 스위칭 패널은 상기 전극 리드의 길이 방향에 직각되는 방향에서 상기 스위칭 리드보다 더 큰 폭을 가질 수 있다.

다른 측면에서, 상기 스위칭 패널은 접착제를 통해 상기 파우치 외장재의 외주 면에 접합될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 스위칭 리드는 상기 전극 리드의 길이 방향을 따라 상기 전극 리드 상에 위치될 수 있다.

바람직하게, 상기 스위칭 리드는 상기 일 단부로부터 상기 전극 리드를 노출시킬 수 있다.

일 측면에서, 상기 스위칭 리드는 상기 타 단부를 통해 상기 실링 영역의 내측 경계와 바로 인접할 수 있다.

다른 측면에서, 상기 스위칭 리드는 상기 전극 리드의 길이 방향에 직각되는 방향에서 상기 전극 리드보다 더 작은 폭을 가지거나 상기 전극 리드와 동일한 폭을 가질 수 있다.

또 다른 측면에서, 상기 스위칭 리드는 상기 스위칭 패널로부터 이격할 수 있다.

또 다른 측면에서, 상기 스위칭 리드는 접착제를 통해 상기 파우치 외장재의 외주 면에 접합되고, 용접을 통해 상기 전극 리드에 접합될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 전극 리드가 상기 전극 조립체의 양 측부에서 상기 전극 조립체에 전기적으로 접속되는 때, 상기 스위칭 리드는 상기 전극 리드 상에서 상기 전극 조립체의 상기 양 측부에 위치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 전극 리드가 상기 전극 조립체의 일 측부에서 상기 전극 조립체에 전기적으로 복수 접속되는 때, 상기 스위칭 리드는 상기 전극 리드 상에서 상기 전극 조립체의 상기 일 측부에 복수 위치될 수 있다.

바람직하게, 상기 스위칭 패널과 상기 스위칭 리드는 상기 파우치 외장재의 일측 외주 면에 고정될 수 있다.

일 측면에서, 상기 스위칭 패널과 상기 스위칭 리드는 상기 파우치 외장재의 일측 외주 면과 타측 외주면에 고정될 수 있다.

본 발명에 따르는 전지 셀은, 파우치 외장재의 외주 면에 고정되며 서로로부터 이격하는 스위칭 패널과 스위칭 패널 주변에 두 개의 스위칭 리드를 구비하여 두 개의 스위칭 리드를 두 개의 전극 리드에 각각 접합시키고 스웰링 현상의 발생 동안 파우치 외장재의 내부 가스의 압력에 의해 스위칭 패널과 스위칭 리드를 접촉시켜 단락 전류를 야기시키므로 스위칭 리드와 전극 리드의 접속 부위에 주울 열을 발생시켜 접속 부위를 중심으로 전극 리드를 용이하게 파단시킬 수 있다.

본 발명에 따르는 전지 셀은, 파우치 외장재의 외주 면에 스웰링 현상의 발생 동안 스위칭 패널과 스위칭 패널 주변에 두 개의 스위칭 리드를 포함하는 단락 회로를 구비하여 두 개의 스위칭 리드에 각각 접합되는 두 개의 전극 리드를 단락 전류의 주울 열을 통해 파단시키므로 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 제1 실시 예에 따른 전지 셀을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 전극 조립체, 두 개의 전극 리드와 두 개의 실링 부재의 결합 관계를 보여주는 사시도이다.
도 3은, 도 1의 절단선 Ⅰ - Ⅰ' 를 따라 취해 전극 조립체, 전극 리드와 실링 부재, 스위칭 패널과 스위칭 리드의 결합 관계를 보여주는 단면도이다.
도 4는, 도 3의 변형 예에 따른 전극 조립체, 전극 리드와 실링 부재, 스위칭 패널들과 스위칭 리드들의 결합 관계를 보여주는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전지 셀을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 6은, 도 5의 전극 조립체, 두 개의 전극 리드와 두 개의 실링 부재의 결합 관계를 보여주는 사시도이다.
도 7 내지 도 9는, 도 1의 전지 셀의 제조방법과 작동 메커니즘을 설명하는 개략도이다.
도 10 및 도 11은, 도 5의 전지 셀의 제조방법과 작동 메커니즘을 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.

또한, 본 발명은 전지 셀의 용도에 의해 한정되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 전지 셀은 전지 자동차나 하이브리드 자동차 이외에도 이차 전지가 이용될 수 있다고 알려진 다양한 응용 제품, 예컨대 모바일 디바이스나 전력 저장 장치 등에서도 이용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전지 셀을 개략적으로 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1의 전극 조립체, 두 개의 전극 리드와 두 개의 실링 부재의 결합 관계를 보여주는 사시도이다.

또한, 도 3은 도 1의 절단선 Ⅰ - Ⅰ' 를 따라 취해 전극 조립체, 전극 리드와 실링 부재, 스위칭 패널과 스위칭 리드의 결합 관계를 보여주는 단면도이고, 도 4는 도 3의 변형 예에 따른 전극 조립체, 전극 리드와 실링 부재, 스위칭 패널들과 스위칭 리드들의 결합 관계를 보여주는 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 셀(100)은 파우치 외장재(10), 전극 조립체(30), 전해질(도면에 미 도시), 제1 및 제2 전극 리드(40, 50), 제1 및 제2 실링 부재(60, 70), 스위칭 패널(80)과, 제1 및 제2 스위칭 리드(94, 98)를 포함한다. 상기 파우치 외장재(10)는 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6)를 포함한다.

여기서, 상기 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6)는 파우치 외장재(10)의 일 측부에서 한 변을 공유하여 서로 연결되거나 서로로부터 분리될 수도 있다. 바람직하게, 상기 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6)의 각각은 금속 박층과, 금속 박층을 샌드 위치의 구조로 둘러싸는 폴리머 박층들로 이루어진다.

상기 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6)는 파우치 외장재(10)의 하부 측과 상부 측에 각각 위치되어 파우치 외장재(10)의 중앙 영역에서 파우치 외장재(10)의 내부에 전극 조립체(30)를 수납하는 중공(5)을 정의하고, 파우치 외장재(10)의 가장 자리를 따라 파우치 외장재(10)의 실링 영역(9)을 형성한다. 상기 실링 영역(9)은 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6) 사이에 서로 마주하는 폴리머 박층들의 열 융착에 의해 형성된다.

상기 전극 조립체(30)는 파우치 외장재(10)의 중공(5)에 위치하여 파우치 외장재(10)의 내부 면에 의해 밀봉된다. 여기서, 상기 전해질도 중공(5)에 충진되어 전극 조립체(30)에 함침되며 전극 조립체(30)와 함께 파우치 외장재(10)의 내부 면에 의해 밀봉될 수 있다. 한편, 상기 중공(5)은 도 3 및 도 4에서 과장되게 도시된 것이며, 상기 중공(5)의 대부분은 파우치 외장재(10)의 내부에 전극 조립체(30)를 밀봉시키는 과정에서 중공(5)에 충진된 공기를 진공에 의해 흡입하는 동안 제거된다.

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 위치시키고 복수의 제1 단위 적층체 또는 복수의 제2 단위 적층체를 분리 필름과 함께 일 방향으로 권취시킨 스택 폴딩 구조의 전극 바디(23)를 갖는다.

여기서, 상기 전극 조립체(30)의 구조는 스택 폴딩 구조에 한정되지 않으며, 예를 들면, 젤리-롤 구조나 단순 적층 구조를 가질 수 있다. 상기 젤리-롤 구조는 '발명의 배경이 되는 기술' 란에서 이미 설명되었으며, 상기 단순 적층 구조는 장방 형상 또는 정방 형상으로 이루어진 음극 판(또는 양극 판), 분리 막, 양극 판(또는 음극 판)과 분리 막의 순서대로 수직하게 적층시켜 구현된다.

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, 타 측부에서 복수의 제1 단위 적층체 또는 복수의 제2 단위 적층체의 양극 판들에 연결되는 양극 탭(29)들을 갖는다.

상기 제1 전극 리드(40)와 제2 전극 리드(50)는 금속 물질로 이루어진다. 상기 금속 물질은 우수한 전기 전도도와 열 전도성을 갖는 알루미늄 또는 구리를 포함한다. 일 측면에서, 상기 제1 전극 리드(40)와 제2 전극 리드(50)는 전극 조립체(30)의 양 측부에 위치되어 초음파 용접 또는 레이저 용접을 통해 음극 탭(26)들과 양극 탭(29)들에 전기적으로 각각 접속된다. 다른 측면에서, 상기 제1 전극 리드(40)와 제2 전극 리드(50)는 파우치 외장재(10)의 내부 및 외부에서 실질적으로 동일한 구조를 갖는다.

상기 제1 실링 부재(60)와 상기 제2 실링 부재(70)의 각각은 열 융착 특성을 갖는 수지 조성물로 이루어진 하부 필름과 상부 필름으로 이루어진다. 상기 제1 실링 부재(60)는 상부 필름과 하부 필름에 의해 제1 전극 리드(40)를 둘러싸며 접착제 또는 열 융착을 통해 제1 전극 리드(40)에 접합된다. 여기서, 상기 하부 필름, 상부 필름과 제1 전극 리드(40)는 서로 긴밀하게 접합되므로 파우치 외장재(10)의 외부로부터 접합 계면을 통해 수분 침투를 효과적으로 방지할 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 실링 부재(60)는 파우치 외장재(10)의 실링 영역(9)에서 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6) 사이에 위치하여 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6)에 열 융착된다. 유사하게, 상기 제2 실링 부재(70)는 열 융착 특성을 갖는 상부 필름과 하부 필름에 의해 제2 전극 리드(50)를 둘러싸며 접착제 또는 열 융착을 통해 제2 전극 리드(50)에 접합된다. 여기서, 상기 하부 필름, 상부 필름과 제2 전극 리드(50)는 서로 긴밀하게 접합되므로 파우치 외장재(10)의 외부로부터 접합 계면을 통해 수분 침투를 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 하부 필름과 상부 필름은 적정한 온도에서 제1 전극 리드(40) 또는 제2 전극 리드(50)에 열 융착되는 수지 조성물, 예를 들면, 폴리올레핀 또는 변성된 폴리올레핀 수지 조성물로 이루어진다. 바람직하게, 상기 제2 실링 부재(70)는 파우치 외장재(10)의 실링 영역(9)에서 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6) 사이에 위치하여 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6)에 열 융착된다.

여기서, 상기 제1 전극 리드(40)는 음극 탭(26)들로부터 연장하며 제1 실링 부재(60)를 관통하여 파우치 외장재(10)로부터 인출되어 외부에 노출된다. 유사하게, 상기 제2 전극 리드(50)는 양극 탭(29)들로부터 연장하며 제2 실링 부재(70)를 관통하여 파우치 외장재(10)로부터 인출되어 외부에 노출된다.

상기 스위칭 패널(80), 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)는 금속 물질로 이루어진다. 상기 금속 물질은 우수한 전기 전도도와 열 전도성을 갖는 알루미늄 또는 구리를 포함한다. 상기 스위칭 패널(80)은 전극 조립체(30) 상에서 파우치 외장재(10)의 일측 외주 면에 고정된다. 바람직하게, 상기 스위칭 패널(80)은 접착제를 통해 파우치 외장재(10)의 외주 면에 접합된다.

여기서, 상기 제1 스위칭 리드(94)는 제1 전극 리드(40) 상에 위치된다. 상기 제2 스위칭 리드(98)는 제2 전극 리드(50) 상에 위치된다. 일 측면에서, 상기 스위칭 패널(80)은 제1 전극 리드(40)와 제2 전극 리드(50)의 길이 방향(즉, 인출 방향)에서 전극 조립체(30)로부터 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)를 향해 연장한다.

다른 측면에서, 상기 스위칭 패널(90)은 제1 전극 리드(40)와 제2 전극 리드(50) 상에서 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)를 부분적으로 덮는다. 또 다른 측면에서, 상기 스위칭 패널(80)은 제1 전극 리드(40)와 제2 전극 리드(50)의 길이 방향(즉, 인출 방향)에 직각되는 방향에서 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)보다 더 큰 폭을 갖는다.

상기 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)는 접착제를 통해 파우치 외장재(10)의 일측 외주 면에 접합되고, 용접을 통해 제1 전극 리드(40)와 제2 전극 리드(50)에 각각 접합된다. 상기 제1 스위칭 리드(94)는 파우치 외장재(10)의 일측 외주 면에 고정되고, 제1 실링 부재(60)와 교차하여 전극 조립체(30)와 제1 전극 리드(40)를 향해 연장한다.

바람직하게, 상기 제1 스위칭 리드(94)는 일 단부를 통해 제1 전극 리드(40)에 고정되며 타 단부를 통해 스위칭 패턴(80) 바로 아래에 위치된다. 일 측면에서, 상기 제1 스위칭 리드(94)는 제1 전극 리드(40)의 길이 방향을 따라 제1 전극 리드(40) 상에 위치된다. 다른 측면에서, 상기 제1 스위칭 리드(94)는 일 단부로부터 제1 전극 리드(40)를 노출시킨다.

또 다른 측면에서, 상기 제1 스위칭 리드(94)는 타 단부를 통해 파우치 외장재(10)의 실링 영역(9)의 내측 경계(B)와 바로 인접한다. 또 다른 측면에서, 상기 제1 스위칭 리드(94)는 제1 전극 리드(40)의 길이 방향에 직각되는 방향에서 제1 전극 리드(40)보다 더 작은 폭을 가지거나 제1 전극 리드(40)와 동일한 폭을 갖는다.

또 다른 측면에서, 상기 제1 스위칭 리드(94)는 스위칭 패널(80)로부터 이격한다. 유사하게, 상기 제2 스위칭 리드(98)는 파우치 외장재(10)의 일측 외주 면에 고정되고, 제2 실링 부재(70)와 교차하여 전극 조립체(30)와 제2 전극 리드(50)를 향해 연장한다.

바람직하게, 상기 제2 스위칭 리드(98)는 일 단부를 통해 제2 전극 리드(50)에 고정되며 타 단부를 통해 스위칭 패턴(80) 바로 아래에 위치된다. 일 측면에서, 상기 제2 스위칭 리드(98)는 제2 전극 리드(50)의 길이 방향을 따라 제2 전극 리드(50) 상에 위치된다.

다른 측면에서, 상기 제2 스위칭 리드(98)는 일 단부로부터 제2 전극 리드(50)를 노출시킨다. 또 다른 측면에서, 상기 제2 스위칭 리드(98)는 타 단부를 통해 파우치 외장재(10)의 실링 영역(9)의 내측 경계(B)와 바로 인접한다.

또 다른 측면에서, 상기 제2 스위칭 리드(98)는 제2 전극 리드(50)의 길이 방향에 직각되는 방향에서 제2 전극 리드(50)보다 더 작은 폭을 가지거나 제2 전극 리드(50)와 동일한 폭을 갖는다. 또 다른 측면에서, 상기 제2 스위칭 리드(98)는 스위칭 패널(80)로부터 이격한다.

한편, 도 4에서, 본 발명의 제1 실시예의 변형 예에 따른 전지 셀(100A)은, 파우치 외장재(10)의 일측 외주 면과 타측 외주 면에 고정되는 스위칭 패널(80), 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)을 가질 수 있다. 여기서, 상기 타측 외주 면에 위치되는 스위칭 패널(80), 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)는 일 측 외주 면에 위치되는 스위칭 패널(80), 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)와 실질적으로 동일한 결합 관계를 가지며 거울면 대칭을 이루도록 마주하도록 구성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전지 셀을 개략적으로 보여주는 사시도이고, 도 6은 도 5의 전극 조립체, 두 개의 전극 리드와 두 개의 실링 부재의 결합 관계를 보여주는 사시도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 셀(200)은 도 1 내지 도 3에서 기술된 바와 같은 전지 셀(100)과 유사한 구성 요소를 갖는다. 그러나, 상기 전지 셀(200)은 전극 조립체(130)에서 바디(123)의 일 측부에 음극 탭(126)들과 양극 탭(129)들을 가지고, 음극 탭(126)들에 전기적으로 접속되는 제1 전극 리드(140)와 양극 탭(129)들에 전기적으로 접속되는 제2 전극 리드(150)를 갖는다.

여기서, 상기 전지 셀(200)은 파우치 외장재(110)의 실링 영역(109)에서 하부 케이스(103)와 상부 케이스(106) 사이에 위치하여 하부 케이스(103), 상부 케이스(106)와 제1 전극 리드(140)에 접착제 또는 열 융착에 의해 접합되는 제1 실링 부재(160)와 하부 케이스(103), 상부 케이스(106)와 제2 전극 리드(150)에 접착제 또는 열 융착에 의해 접합되는 제2 실링 부재(170)를 갖는다.

또한, 상기 전지 셀(200)은 전극 조립체(130) 상에서 파우치 외장재(110)의 일측 외주 면에 접착제에 의해 고정되는 스위칭 패널(180), 그리고 제1 전극 리드(140)와 제2 전극 리드(150)에 용접에 의해 각각 접합되어 파우치 외장재(110)의 일측 외주 면에 접착제에 의해 고정되는 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)를 갖는다.

상기 스위칭 패널(180)은 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)를 부분적으로 덮는다. 상기 제1 스위칭 리드(194)는 파우치 외장재(110)의 일측 외주 면에 고정되고, 제1 실링 부재(160)와 교차하여 전극 조립체(130)와 제1 전극 리드(140)를 향해 연장한다.

상기 제2 스위칭 리드(198)는 파우치 외장재(110)의 일측 외주 면에 고정되고, 제2 실링 부재(170)와 교차하여 전극 조립체(130)와 제2 전극 리드(150)를 향해 연장한다. 한편, 도면에 도시되지 않지만, 상기 스위칭 패널(180), 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)는 파우치 외장재(110)의 일측 외주 면과 타측 외주 면에 고정될 수 있다.

여기서, 상기 타측 외주 면에 위치되는 스위칭 패널(180), 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)는 일측 외주 면에 위치되는 스위칭 패널(180), 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)와 실질적으로 동일한 결합 관계를 가지며 거울 면 대칭을 이루도록 마주하도록 구성될 수 있다.

도 7 내지 도 9는, 도 1의 전지 셀의 제조방법과 작동 메커니즘을 설명하는 개략도이다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 파우치 외장재(10), 전극 조립체(30), 전해질(도면에 미도시), 제1 및 제2 전극 리드(40, 50), 제1 및 제2 실링 부재(60, 70), 스위칭 패널(80)과 제1 및 제2 스위칭 리드(94, 98)가 준비될 수 있다. 다음으로, 상기 전극 조립체(30)가 파우치 외장재(10)의 하부 케이스(3)에 위치되고, 상기 제1 및 제2 전극 리드(40, 50)는 전극 조립체(30)의 바디(23)의 양 측부에서 전극 조립체(30)의 음극 탭(26)과 양극 탭(29)에 용접을 이용하여 각각 접합될 수 있다.

계속해서, 상기 제1 및 제2 실링 부재(60, 70)는 제1 및 제2 전극 리드(40, 50)에 접착제 또는 열 융착을 이용하여 각각 접착될 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극 리드(40)는 일 단을 통해 전극 조립체(30)의 음극 탭(26)들에 고정되며 타 단을 통해 하부 케이스(3)의 가장자리 상에 걸쳐져 하부 케이스(3)로부터 돌출된다.

유사하게, 상기 제2 전극 리드(50)는 일 단을 통해 전극 조립체(30)의 양극 탭(29)들에 고정되며 타 단을 통해 하부 케이스(3)의 가장자리 상에 걸쳐져 하부 케이스(3)로부터 돌출된다. 이어서, 상기 전해질이 전극 조립체(30) 주위에 채워지고, 상기 파우치 외장재(10)의 상부 케이스(6)가 하부 케이스(3) 상에 위치되며, 상기 하부 케이스(3)의 가장자리는 제1 실링 부재(60) 및 제2 실링 부재(70)와 함께 상부 케이스(6)의 가장자리에 열 융착될 수 있다.

여기서, 상기 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6)는 서로에 대해 열 융착되어 전극 조립체(30)와 전해질을 밀봉하고 전극 조립체(30)와 전해질 주변에 파우치 외장재(10)의 실링 영역(9)을 형성할 수 있다. 이후로, 상기 파우치 외장재(10)의 일측 외주 면에 스위칭 패널(80), 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)가 고정될 수 있다.

상기 스위칭 패널(80)은 전극 조립체(30) 상에서 파우치 외장재(10)의 일측 외주 면에 접합될 수 있다. 상기 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)는 제1 전극 리드(40)와 제2 전극 리드(50)에 용접에 의해 각각 접합되고 파우치 외장재(10)의 일측 외주 면에 접착제에 의해 접합될 수 있다.

여기서, 상기 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)는 파우치 외장재(10)의 일측 외주 면 상에서 스위칭 패널(80)에 의해 부분적으로 덮이며 스위칭 패널(80)로부터 이격될 수 있다. 이를 통해서, 상기 파우치 외장재(10), 전극 조립체(30), 전해질, 제1 및 제2 전극 리드(40, 50), 제1 및 제2 실링 부재(60, 70), 스위칭 패널(80)과 제1 및 제2 스위칭 리드(94, 98)은 전지 셀(100)을 구성할 수 있다.

한편, 상기 전지 셀(100)은 제1 및 제2 전극 리드(40, 50)를 통해 충전 또는 방전될 수 있다. 여기서, 상기 전지 셀(100)이 과 충전 또는 과 방전되어 장 시간으로 고온 저장되는 경우, 상기 전지 셀(100)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(100)이 파우치 외장재(10)를 통해 외부 충격으로 전극 조립체(30)의 변형을 받는 경우에, 상기 전지 셀(100)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 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 파우치 외장재(10)의 내부에 가스의 양을 급작스럽게 증폭시켜 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6)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 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6) 사이의 공간을 확장시킬 수 있다. 이 때, 상기 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6)는 파우치 외장재(10)의 실링 영역(9)에서 제1 스위칭 리드(94)의 초기 평평한 부분(94a)을 공간 확장에 의해 소정 방향(R)으로 회전시켜 절곡된 부분(94b)으로 변형시킬 수 있다.

유사하게, 상기 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6)는 파우치 외장재(10)의 실링 영역(9)에서 제2 스위칭 리드(98)의 초기 평평한 부분(98a)을 공간 확장에 의해 소정 방향(R)으로 회전시켜 절곡된 부분(98b)으로 변형시킬 수 있다. 상기 절곡된 부분들(94a, 98a)은 하부 케이스(3)와 상부 케이스(6) 사이의 공간 확장에 의해 제1 실링 영역(60)과 제2 실링 영역(70)을 향해 뒤로 밀리고 스위칭 패널(80)을 향해 위로 올려져 스위칭 패널(80)과 면대면(또는 면대선)으로 접촉할 수 있다.

여기서, 상기 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)는 절곡된 부분들(94a, 98a)을 통해 스위칭 패널(90)과 단락 회로를 구성할 수 있다. 따라서, 상기 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)가 (-) 극성의 제1 전극 리드(40)와 (+) 극성의 제2 전극 리드(50)와 각각 접촉하므로, 상기 제1 전극 리드(40)와 제2 전극 리드(50)의 단락 전류(도 9의 i)는 단락 회로를 따라 스위칭 패널(80), 제1 스위칭 리드(94)와 제2 스위칭 리드(98)에 급속하게 흐를 수 있다. 상기 단락 전류(i)는 매우 짧은 시간 동안 수백 내지 수천 암페어의 크기를 갖는다.

연속적으로, 상기 단락 전류(i)는 제1 전극 리드(40)와 제1 스위칭 리드(94)의 접속 부위에서, 그리고 제2 전극 리드(50)와 제2 스위칭 리드(98)의 접속 부위에서 접촉 저항에 의해 주울 열을 발생시킬 수 있다. 상기 주울 열은 제1 전극 리드(40)와 제1 스위칭 리드(94)의 접속 부위에서, 그리고 제2 전극 리드(50)와 제2 스위칭 리드(98)의 접속 부위에서 제1 전극 리드(40)와 제2 전극 리드(50)를 녹여 파단시킬 수 있다.

이를 통해서, 상기 전지 셀(100)은 제1 전극 리드(40) 및 제2 전극 리드(50)의 파단을 통해 충전 또는 방전을 즉각 중단함으로써 스웰링 현상의 가속화와 계속적인 진행을 방지할 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 전지 셀(100a)의 경우, 제1 전극 리드(40)에 두 개의 제1 스위칭 리드(94) 또는 제2 전극 리드(50)에 두 개의 제2 스위칭 리드(98)와 접합되므로, 상기 전지 셀(100A)은 제1 전극 리드(40)와 두 개의 제1 스위칭 리드(94)의 접합 지점들에서 또는 제2 전극 리드(50)와 두 개의 제2 스위칭 리드(98)의 접합 지점들에서 더욱 많은 주울 열을 발생시켜 제1 전극 리드(40) 또는 제2 전극 리드(50)를 용이하게 파단시킬 수 있다.

도 10 및 도 11은 도 2의 전지 셀의 제조방법과 작동 메커니즘을 설명하는 개략도이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 전지 셀(200)은 도 7 내지 도 9에 기술된 바와 같은 전지 셀(100)과 유사한 제조방법에 의해 구현될 수 있다. 그러나, 상기 전지 셀(200)은 도2에 기술된 바와 같이 전극 조립체(130)의 바디(123)의 양 측부에서 음극 탭(126)들과 양극 탭(129)들에 전기적으로 각각 접속시킨 제1 전극 리드(140)와 제2 전극 리드(150)를 가질 수 있다.

여기서, 상기 전지 셀(200)은 파우치 외장재(110)의 일측 외주 면 상에서 전극 조립체(130) 상에 스위칭 패널(180), 그리고 제1 전극 리드(140)와 제2 전극 리드(150) 상에 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)를 각각 가질 수 있다. 상기 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)는 파우치 외장재(110)의 실링 영역(109) 주변에서 제1 전극 리드(140)와 제2 전극 리드(150)와 용접에 의해 접합될 수 있다.

상기 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)는 파우치 외장재(110)의 일측 외주 면 상에서 스위칭 패널(180)에 의해 부분적으로 덮이며 스위칭 패널(80)로부터 이격될 수 있다. 한편, 상기 전지 셀(200)이 과 충전 또는 과 방전되어 장 시간으로 고온 저장되는 경우, 또는 상기 전제 셀(100)이 파우치 외장재(110)를 통해 외부 충격으로 전극 조립체(130)의 변형을 받는 경우에, 상기 전지 셀(200)은 도 7 내지 도 9에 기술된 바와 같이 파우치 외장재(110)의 내부에 다량의 열과 가스를 발생시켜 스웰링 현상을 야기시킬 수 있다.

상기 스웰링 현상이 파우치 외장재(110)에 야기된 후에, 상기 파우치 외장재(110)는 내부 가스의 압력(P)을 통해 하부 케이스(103)와 상부 케이스(106) 사이의 공간을 확장시킬 수 있다. 이 때, 상기 하부 케이스(103)와 상부 케이스(106)는 파우치 외장재(110)의 실링 영역(109)에서 제1 스위칭 리드(194)의 초기 평평한 부분(194a)을 공간 확장에 의해 소정 방향(R)으로 회전시켜 절곡된 부분(194b)으로 변형시킬 수 있다.

유사하게, 상기 하부 케이스(103)와 상부 케이스(106)는 파우치 외장재(110)의 실링 영역(109)에서 제2 스위칭 리드(198)의 초기 평평한 부분(198a)을 공간 확장에 의해 소정 방향(R)으로 회전시켜 절곡된 부분(198b)으로 변형시킬 수 있다. 상기 절곡된 부분들(194a, 198a)은 하부 케이스(103)와 상부 케이스(106) 사이의 공간 확장에 의해 제1 실링 영역(160)과 제2 실링 영역(170)을 향해 뒤로 밀리고 스위칭 패널(180)을 향해 위로 올려져 스위칭 패널(180)과 면대면(또는 면대선)으로 접촉할 수 있다.

여기서, 상기 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)는 절곡된 부분들(194a, 198a)을 통해 스위칭 패널(190)과 단락 회로를 구성할 수 있다. 따라서, 상기 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)가 (-) 극성의 제1 전극 리드(140)와 (+) 극성의 제2 전극 리드(150)와 각각 접촉하므로, 상기 제1 전극 리드(140)와 제2 전극 리드(150)의 단락 전류는 단락 회로를 따라 스위칭 패널(180), 제1 스위칭 리드(194)와 제2 스위칭 리드(198)에 급속하게 흐를 수 있다.

연속적으로, 상기 충전 또는 방전 전류는 제1 전극 리드(140)와 제1 스위칭 리드(194)의 접속 부위(194c)에서, 그리고 제2 전극 리드(150)와 제2 스위칭 리드(198)의 접속 부위(198c)에서 접촉 저항에 의해 주울 열을 발생시킬 수 있다. 상기 주울 열은 제1 전극 리드(140)와 제1 스위칭 리드(194)의 접속 부위(194c)에서, 그리고 제2 전극 리드(150)와 제2 스위칭 리드(198)의 접속 부위(198c)에서 제1 전극 리드(140)와 제2 전극 리드(150)를 녹여 파단시킬 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.

3; 하부 케이스
6; 상부 케이스
9; 실링 영역
10; 파우치 외장재
30; 전극 조립체
40, 50; 제1 및 제2 전극 리드
60, 70; 제1 및 제2 실링 부재
80; 스위칭 패널
94, 98; 제1 및 제2 스위칭 리드
100; 전지 셀
B; 내측 경계

Claims (16)

1. 파우치 외장재의 내주 면에 의해 밀봉되는 전극 조립체와 전해질, 상기 파우치 외장재의 실링 영역에 열 융착되는 실링 부재, 그리고 상기 전극 조립체로부터 연장하며 상기 실링 부재를 관통하여 상기 파우치 외장재로부터 인출되는 적어도 하나의 전극 리드를 가지는 전지 셀에 있어서,
   상기 전극 조립체 상에서 상기 파우치 외장재의 외주 면에 고정되는 스위칭 패널; 및
   상기 파우치 외장재의 상기 외주 면에 고정되고, 상기 실링 부재와 교차하여 상기 전극 리드와 상기 전극 조립체를 향해 연장하는 스위칭 리드를 포함하고,
   상기 스위칭 리드는 일 단부를 통해 상기 전극 리드에 고정되며 타 단부를 통해 상기 스위칭 패턴 바로 아래에 위치되는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 패널과 상기 스위칭 리드는 금속 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
3. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 패널은 상기 전극 리드의 길이 방향에서 상기 전극 조립체로부터 상기 스위칭 리드를 향해 연장하는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
4. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 패널은 상기 전극 리드 상에서 상기 스위칭 리드를 부분적으로 덮는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
5. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 패널은 상기 전극 리드의 길이 방향에 직각되는 방향에서 상기 스위칭 리드보다 더 큰 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
6. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 패널은 접착제를 통해 상기 파우치 외장재의 외주 면에 접합되는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
7. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 리드는 상기 전극 리드의 길이 방향을 따라 상기 전극 리드 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
8. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 리드는 상기 일 단부로부터 상기 전극 리드를 노출시키는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
9. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 리드는 상기 타 단부를 통해 상기 실링 영역의 내측 경계와 바로 인접하는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
10. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 리드는 상기 전극 리드의 길이 방향에 직각되는 방향에서 상기 전극 리드보다 더 작은 폭을 가지거나 상기 전극 리드와 동일한 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
11. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 리드는 상기 스위칭 패널로부터 이격하는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
12. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 리드는,
    접착제를 통해 상기 파우치 외장재의 외주 면에 접합되고,
    용접을 통해 상기 전극 리드에 접합되는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
13. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드가 상기 전극 조립체의 양 측부에서 상기 전극 조립체에 전기적으로 접속되는 때,
    상기 스위칭 리드는 상기 전극 리드 상에서 상기 전극 조립체의 상기 양 측부에 위치되는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
14. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드가 상기 전극 조립체의 일 측부에서 상기 전극 조립체에 전기적으로 복수 접속되는 때,
    상기 스위칭 리드는 상기 전극 리드 상에서 상기 전극 조립체의 상기 일 측부에 복수 위치되는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
15. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 패널과 상기 스위칭 리드는 상기 파우치 외장재의 일측 외주 면에 고정되는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
16. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 패널과 상기 스위칭 리드는 상기 파우치 외장재의 일측 외주 면과 타측 외주면에 고정되는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
    

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