KR20170086346A - 배터리 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀은, 수용 공간의 깊이를 규정하는 측벽부와 상기 측벽부에서 연장되어 상기 수용 공간을 마감하는 평면부를 포함하는 케이스 및 다수의 전극판이 적층되어 형성되며, 상기 케이스의 상기 수용 공간에 수용되는 전극 조립체를 포함하며, 상기 측벽부는, 제1 측벽 및 상기 제1 측벽으로부터 외부로 돌출되어 상기 수용 공간을 확장하는 제2 측벽을 포함할 수 있다.

Description

배터리 셀{BATTERY CELL}
본 발명은 내부 공간을 최대한 확보할 수 있는 배터리 셀에 관한 것이다.
통상적으로 2차 전지는 재충전이 가능하고 대용량화가 가능한 것으로 대표적인 것으로 니켈카드뮴, 니켈수소 및 리튬이온전지 등이 있다. 이중에서 상기 리튬이온전지는 장 수명, 고용량 등 우수한 특성으로 인하여 차세대 동력원으로 주목받고 있다.
리튬 2차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용이 증가되고 있는 추세이다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 배터리 셀의 단위로 제조되며, 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
이러한 배터리 셀은, 대체로 전극 조립체가 외장재에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 외장재가 실링되는 과정을 통해 제조된다
도 1은 종래의 파우치형 배터리 셀의 구성을 도시한 분해 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 셀의 결합 사시도이다. 또한 도 3은 도 2의 I-I′에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 종래의 파우치형 배터리 셀은, 전극 조립체(10)와 이러한 전극 조립체(10)를 수용하는 파우치형 케이스(20)로 이루어지는 것이 일반적이다.
여기서, 전극 조립체(10)는, 전극판, 즉 양극판과 음극판을 구비하며, 이러한 양극판과 음극판 사이에는 세퍼레이터(미도시)가 개재될 수 있다. 그리고, 양극판과 음극판에는, 각각 하나 이상의 전극 탭(11), 즉 양극 탭과 음극 탭이 구비될 수 있다.
이러한 양극 탭과 음극 탭은 각각 전극 리드(12), 즉 양극 리드 및 음극 리드와 결합되며, 양극 리드와 음극 리드의 일부는 파우치 케이스(20)의 외부로 노출됨으로써 이차 전지의 외부 구성, 이를테면 다른 이차 전지나 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있도록 전극 단자로 기능한다.
전극 조립체(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 적층형으로 구성될 수 있다. 여기서, 적층형 전극 조립체는 다수의 양극판과 음극판을 구비하고, 이러한 다수의 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층되는 구조의 전극 조립체를 의미한다.
케이스(20)는, 상부 케이스(21)와 하부 케이스(22)로 구성될 수 있으며, 이러한 상부 케이스(21)와 하부 케이스(22)에 의해 형성된 내부 공간에 전극 조립체(10) 및 전해액이 수용된다. 그리고, 상부 케이스(21)와 하부 케이스(22)는 내부 공간을 밀폐시키기 위해 테두리를 따라 실링부(S)가 형성되고, 이러한 실링부(S)가 서로 접착(실링)되어 내부 공간을 밀폐시킨다.
이러한 케이스(20)는, 전극 조립체(10)와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체(10)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성된다.
그리고, 이러한 알루미늄 박막은 전극 조립체(10) 및 전해액과 같은 이차 전지 내부의 구성요소나 이차전지 외부의 다른 구성요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층 사이에 개재된다.
그런데, 종래의 파우치 케이스는 높은 강성을 가지지 못하므로, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부에 전해액을 주입하며 내부의 가스를 빼내는 과정에서 케이스의 형상이 붕괴되며 찌그러지는 문제가 있다(화살표 참조).
이처럼 케이스의 형상이 붕괴되는 경우, 케이스의 내부 공간이 확보되지 않고 축소되므로, 전해액이 채워질 공간도 축소된다는 문제가 있다.
본 발명은 케이스의 형상을 유지시켜 케이스의 내부 공간을 확보할 수 있는 배터리 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀은, 수용 공간의 깊이를 규정하는 측벽부와 상기 측벽부에서 연장되어 상기 수용 공간을 마감하는 평면부를 포함하는 케이스 및 다수의 전극판이 적층되어 형성되며, 상기 케이스의 상기 수용 공간에 수용되는 전극 조립체를 포함하며, 상기 측벽부는, 제1 측벽 및 상기 제1 측벽으로부터 외부로 돌출되어 상기 수용 공간을 확장하는 제2 측벽을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 제2 측벽이 상기 평면부가 배치된 평면과 이루는 경사각은, 상기 제1 측벽이 상기 평면과 이루는 경사각보다 작게 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 측벽의 경사각은 상기 제2 측벽의 경사각을 초과하고 90° 미만으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 측벽과 상기 제2 측벽 사이의 단차를 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 연결부가 상기 제1 측벽, 상기 제2 측벽과 만나는 부분에는 각각 절곡선이 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 2개의 절곡선은, 각각의 일단이 서로 만나도록 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀은, 적층 배치되는 다수의 전극판과 각각의 상기 전극판에서 연장되는 전극 탭들을 구비하는 전극 조립체 및 상기 전극판들이 수용되는 제1 수용부와 상기 전극 탭들이 수용되는 제2 수용부를 포함하는 케이스를 포함하고, 상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부는 폭이 서로 다르게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀은, 케이스 내부의 가스를 제거하더라도 케이스의 측벽부가 쉽게 붕괴되지 않는다. 따라서 내부 공간을 최대한 확보하여 내부에 전해액을 충분히 채울 수 있으며, 배터리 셀의 양면이 부풀어 오르는 것도 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 배터리 셀의 구성을 도시한 분해 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 셀의 결합 사시도.
도 3은 도 2의 I-I′에 따른 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 배터리 셀을 개략적으로 도시한 분해 사시도.
도 5는 도 4에 도시된 배터리 셀의 결합 사시도.
도 6은 도 5의 II-II′에 따른 단면도.
도 7은 도 4에 도시된 배터리 셀의 측면도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 셀을 개략적으로 도시한 사시도.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 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 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 배터리 셀을 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 배터리 셀의 결합 사시도이다. 또한 도 6은 도 5의 II-II′에 따른 단면도이고, 도 7은 도 4에 도시된 배터리 셀의 측면도이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 파우치형 배터리 셀은, 전극 조립체(100) 및 파우치형 케이스(200)를 포함한다.
전극 조립체(100)는, 다수의 전극판 및 전극 탭(110)을 구비하며 케이스(200)의 수용부(204) 내에 수납된다. 여기서, 전극판은 양극판과 음극판으로 구성되며, 전극 조립체(100)는 이러한 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 넓은 면이 서로 마주보는 형태가 되도록 적층된 형태로 구성될 수 있다.
양극판과 음극판은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.
또한 전극 조립체(100)는 다수의 양극판과 다수의 음극판이 상하 방향으로 적층된다. 이때, 다수의 양극판과 다수의 음극판에는 각각 전극 탭(110)이 구비되며, 서로 동일한 극성끼리 접촉하여 동일한 전극 리드(120)에 연결될 수 있다.
케이스(200)는 제1 케이스(210)와 제2 케이스(220)로 구성될 수 있다. 제1 케이스(210)와 제2 케이스(220)는 각각 실링부(202)와 수용부(204)를 포함한다.
실링부(202)는 수용부(204)의 외곽을 따라 테두리 형태로 배치된다.
제1 케이스(210)의 실링부(202)와 제2 케이스(220)의 실링부(202)는 상호 접합되어 수용부(204)에 의해 형성되는 내부 공간을 밀폐한다.
실링부(202) 간의 접합은 열융착 방식이 이용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 실링부(202)의 면적을 최소화하기 위해, 실링부(202)는 상호 접합된 후 적어도 한 번 접힌 형태로 구성될 수 있다.
수용부(204)는 용기 형태로 형성되어 내부 공간을 제공한다. 이때, 실링부(202)는 용기 형태로 형성되는 수용부(204)의 입구에서 확장되는 형태로 형성된다.
수용부(204)의 내부 공간에는 전극 조립체(100) 및 전해액(미도시)이 수용된다. 수용부(204)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 케이스(210)와 제2 케이스(220)에 모두 형성된다. 그러나 필요에 따라 어느 한 곳에만 형성하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시예에 따른 수용부(204)는 평면부(205)과 측벽부(206)를 포함한다.
평면부(205)는 넓은 면적으로 형성되는 일면으로, 수용부(204) 내부 공간의 바닥면이나 상부면을 형성한다. 따라서 측벽부(206)에서 연장되어 상기한 내부 공간을 마감하는 형태로 형성된다.
또한 평면부(205)는 전극 조립체(100)의 면적에 대응하는 크기로 형성되며, 실링부(202)와 대략 평행을 이루도록 형성된다.
측벽부(206)는 실링부(202)에서 연장되어 평면부(205)의 외곽과 연결된다.
따라서 측벽부(206)는 수용부(204) 내부 공간의 깊이를 규정한다.
측벽부(206)는 제1 측벽(206a), 제3 측벽(206b), 제2 측벽(206c), 및 연결부(206d)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 제1 측벽(206a)은 사각 형상으로 형성되는 배터리 셀의 마주보는 두 변을 따라 형성된다. 여기서 제1 측벽(206a)이 형성되는 두 변은 전극 조립체(100)의 전극 리드(120)가 인출되는 변이다. 본 실시예의 경우, 배터리 셀이 형성하는 직사각 형상의 단변 측으로 전극 리드(120)가 인출된다. 따라서 제1 측벽(206a)은 단변 측에 배치된다.
제3 측벽(206b)은 평면부(205)의 마주보는 두 변을 따라 형성되며, 제1 측벽(206a)과 수직을 이루며 배터리 셀의 장변 측에 배치된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 측벽(206a)은 실링부(202) 또는 평면부(205)와의 경사각이 θ1으로 규정된다. 또한 제3 측벽(206b)의 경사각은 제1 측벽(206a)의 경사각(θ1)과 보다 큰 각도로 규정될 수 있다.
그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 후술되는 실시예와 같이 제1 측벽(206a)과 제3 측벽(206b)의 경사각을 동일하게 형성하거나, 제3 측벽(206b)의 경사각을 제1 측벽(206a)의 경사각보다 작게 형성하는 것도 가능하다.
제2 측벽(206c)은 제1 측벽(206a)과 마찬가지로 전극 리드(120)가 배치되는 배터리 셀의 단변 측에 배치되며, 제1 측벽(206a)의 사이에 배치된다.
따라서 제1 측벽(206a)은 배터리 셀의 모서리 측에 각각 형성되고, 제2 측벽(206c)은 이러한 제1 측벽들(206a)로부터 외부로 돌출되는 형태로 배치된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제2 측벽(206c)은 실링부(202) 또는 평면부(205)와의 경사각이 θ2로 규정된다. 이때, 제2 측벽(206c)의 경사각(θ2)은 제1 측벽(206a)의 경사각(θ1)보다 작은 각도로 규정된다.
이로 인해, 제1 측벽(206a)의 경사각(θ1)은 제2 측벽(206c)의 경사각(θ2)을 초과하고 90° 미만으로 형성된다. 또한 제2 측벽(206c)은 실링부(202) 측으로 갈수록 제1 측벽(206a)에서 외부로 더 돌출되는 형태로 형성된다.
본 실시예에 따른 배터리 셀은 도 1에 도시된 종래의 배터리 셀과 동일한 크기를 유지한다. 따라서 제2 측벽(206c)이 외부로 돌출될수록 제2 측벽(206c)이 형성된 부분의 실링부(202)는 접합 면적이 축소된다.
이에 제2 측벽(206c)은 실링부(202)의 접합 신뢰성을 유지할 수 있는 범위 내에서 최대한 돌출 형성될 수 있다.
제2 측벽(206c)의 양 단에는 제1 측벽(206a)과 제2 측벽(206c)을 연결하는 연결부(206d)가 형성된다.
연결부(206d)는 제2 측벽(206c)이 제1 측벽(206a)과 다른 경사각으로 형성됨에 따라 제1 측벽(206a)과 제2 측벽(206c)의 단차를 연결하는 부분으로, 제1 절곡선(C1)과 제2 절곡선(C2) 사이의 영역으로 구분된다. 여기서 제1 절곡선(C1)은 제1 측벽(206a)과 연결부(206d)가 만나는 부분에 형성되는 절곡선이고, 제2 절곡선(C2)은 연결부(206d)와 제2 측벽(206c)이 만나는 부분에 형성되는 절곡선이다.
케이스(200)는 제1 절곡선(C1)과 제2 절곡선(C2)에서 서로 다른 방향으로 절곡된다. 이에 따라 수용부(204)의 측면부(206)는 높은 강성을 갖게 되며 이에 케이스(200)의 외형이 쉽게 변형되지 않는다.
종래의 경우, 파우치형 케이스의 내부에 전해액을 주입하며 내부의 가스를 빼내는 과정에서 케이스의 형상이 붕괴되며 찌그러지는 문제가 있다. 이때, 주로 케이스의 측벽이 붕괴되어 도 3에 도시된 바와 같이 케이스의 내부 공간이 축소되기 때문에, 전해액이 채워질 공간이 축소된다.
따라서 필요한 양만큼 전해액을 주입하지 못하거나, 전해액이 전극 조립체(100)와 평면부(205) 사이로 유입되어 평면부(205)가 전극 조립체(100)로부터 이격되고, 이에 배터리 셀의 양면이 부풀어 오르는 형태로 배터리 셀이 제조되고 있다.
그러나 본 실시예에 따른 배터리 셀은 전극 리드(120)가 인출되는 변에 경사각이 서로 다른 제1 측벽(206a)과 제2 측벽(206c)이 형성된다. 또한 제1 측벽(206a)과 제2 측벽(206c)의 경사각이 서로 다름으로 인해, 제1 측벽(206a)과 제2 측벽(206c) 사이에는 다수의 절곡선(C1, C2)들이 형성된다.
제1 절곡선(C1)과 제2 절곡선(C2)은 서로 반대 방향으로 절곡되므로, 평면부(205)를 지지하는 강성이 증가된다. 이에 케이스(200) 내부의 가스를 제거하더라도 파우치 케이스(200)의 측벽부(206)가 쉽게 붕괴되지 않는다
따라서 내부 공간을 최대한 확보할 수 있으므로 내부에 전해액을 충분히 채울 수 있으며, 이에 배터리 셀의 양면이 부풀어 오르는 것도 방지할 수 있다.
또한 제1, 제3 측벽(206a, 206b)이 전극 조립체(100)와 최대한 접촉하며 전극 조립체(100)를 고정시키므로, 제2 측벽(206b)이 외부로 확장되더라도 케이스(200) 내에서 전극 조립체(100)가 움직이는 것을 억제할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 케이스의 수용 공간은, 경사각이 서로 다른 제1 측벽(206a)과 제2 측벽(206c)을 구비함에 따라, 제1 측벽(206a)과 제3 측벽(206b)에 의해 형성되는 제1 수용부 및 제2 측벽(206c)에 의해 형성되는 제2 수용부로 구분될 수 있다. 그리고 제1 수용부는 적층된 전극판이 수용되는 공간으로 이용되고, 제2 수용부는 전극판에서 연장된 전극 탭들(110)과 전극 리드(120)가 수용되는 공간으로 이용된다.
따라서, 제1 수용부와 제2 수용부는 폭이 다르게 형성될 수 있다.
한편 본 실시예에서는 전극 리드가 배치되는 단변 측에만 제2 측벽(206c)이 형성되는 경우를 예로 들었으나, 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제3 측벽(206b)이 형성된 장변 측에도 제2 측벽(206c)을 형성하는 것도 가능하다. 그러나 제3 측벽(206b) 측에는 실링부의 폭이 매우 좁으므로, 제3 측벽(206b) 측에 제2 측벽(206c)을 형성하는 경우, 배터리 셀의 폭이 증가될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 셀을 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 실시예의 경우, 전술한 실시예의 배터리 셀과 유사하게 구성되며 제3 측면의 구조에 있어서만 차이를 갖는다. 따라서 전술한 실시예와 동일한 구성요소들에 대해서는 설명을 생략하며, 차이를 갖는 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 셀은, 제1 측면(206a)과 제2 측면(206b)이 동일한 경사각을 갖도록 형성된다.
또한 제1 절곡선(C1)과 제2 절곡선(C2)은 평면부(205)와 연결되는 일단이 한 점에서 만나고, 실링부(202)와 연결되는 타단은 서로 다른 위치에 형성된다.
이러한 구성으로 인해, 평면부(205)는 완전한 직사각 형상으로 형성되며, 이에 전극 조립체를 보다 안정적으로 고정시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100: 전극 조립체
200: 케이스
202: 실링부
204: 수용부
205: 평면부
206: 측벽부
206a: 제1 측벽
206b: 제3 측벽
206c: 제2 측벽
206d: 연결부

Claims (7)

  1. 수용 공간의 깊이를 규정하는 측벽부와 상기 측벽부에서 연장되어 상기 수용 공간을 마감하는 평면부를 포함하는 케이스; 및
    다수의 전극판이 적층되어 형성되며, 상기 케이스의 상기 수용 공간에 수용되는 전극 조립체;
    를 포함하며,
    상기 측벽부는,
    제1 측벽 및 상기 제1 측벽으로부터 외부로 돌출되어 상기 수용 공간을 확장하는 제2 측벽을 포함하는 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 측벽이 상기 평면부가 배치된 평면과 이루는 경사각은, 상기 제1 측벽이 상기 평면과 이루는 경사각보다 작게 형성되는 배터리 셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 측벽의 경사각은 상기 제2 측벽의 경사각을 초과하고 90° 미만으로 형성되는 배터리 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 측벽과 상기 제2 측벽 사이의 단차를 연결하는 연결부를 포함하는 배터리 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연결부가 상기 제1 측벽, 상기 제2 측벽과 만나는 부분에는 각각 절곡선이 형성되는 배터리 셀.
  6. 제5항에 있어서, 상기 2개의 절곡선은,
    각각의 일단이 서로 만나도록 형성되는 배터리 셀.
  7. 적층 배치되는 다수의 전극판과 각각의 상기 전극판에서 연장되는 전극 탭들을 구비하는 전극 조립체; 및
    상기 전극판들이 수용되는 제1 수용부와 상기 전극 탭들이 수용되는 제2 수용부를 포함하는 케이스;
    를 포함하고,
    상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부는 폭이 서로 다르게 형성되는 배터리 셀.

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