KR20180081246A - 냉각 효율성이 향상된 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체, 및 상기 전극조립체가 수납부에 장착된 상태로 외주변이 열융착 되어 있는 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스를 포함하고;
상기 전극조립체를 구성하는 적어도 하나의 전극은, 전극 탭이 형성되지 않은 방향들 중의 적어도 일측 방향으로, 전지케이스 외주변의 단부까지 연장된 무지부가 집전체에 형성되어 있으며;
상기 연장된 무지부는 전지케이스의 외주변에 함께 열융착 되어 있고;
상기 연장된 무지부가 개재된 상태로 열융착된 전지케이스 외주변의 실링부는 연장된 무지로부터 전달된 열을 열전도에 의해 제거할 수 있는 구조의 C형 몰딩 클램프에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

냉각 효율성이 향상된 전지셀 {Battery Cell of Improved Cooling Efficiency}
본 발명은, 냉각 효율성이 향상된 전지셀에 관한 것으로, 상세하게는, 적어도 하나의 전극의 무지부가 전지케이스의 외주변의 단부까지 연장되어 열융착되어 있고, 이러한 전지케이스 외주변의 실링부는, 연장된 무지부로부터 전달된 열을 열전도에 의해 제거할 수 있는 구조의 C형 몰딩 클램프에 결합되어 있어 냉각 효율성을 현저히 향상시킨 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
이러한 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으며, 충방전 과정에서 전지의 내부 저항에 의한 발열로 전지 온도가 상승하게 된다. 특히, 방전시에는 전지 내부에서의 발열 반응열까지 더해지므로, 발열의 정도가 더욱 크고, 그에 따른 온도 상승은 더욱 커지게 된다. 전지의 온도가 상승하게 되면, 전지의 수명 특성이 나빠지고 부반응에 의한 가스 발생 등의 문제가 발생하게 되므로, 전지를 냉각하는 것이 중요한 요소로 작용하게 된다.
더욱이, 최근 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
특히, 전기자동차의 경우와 같이, 고출력을 내기 위하여 큰 전류를 사용하는 경우에는 전지의 발열이 더욱 크며, 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면 열 축적이 발생하므로, 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 전지팩은 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
또한, 최근 전지의 용량을 크게 하고 가격을 낮추기 위해서, 개별 전지의 용량이 커지고 있으며, 이에 따라 전지 발열의 문제도 심각해지고 있다.
또한, 침상 도체의 관통 등에 대한 내부 단락이 발생시, 온도 상승을 균일하게 억제할 수 없고, 외부 충격에 대한 전지의 강도도 낮으므로, 전지의 안전성 확보 측면에서도 한계가 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 비효율적인 직접 공냉 방식, 효율성은 향상되지만 비용이 많이 드는 방열판을 사용하는 간접 공냉 방식, 방열판 내에 수로를 만들어 냉각수를 흘려서 냉각하는 수냉 방식 등이 사용되어 왔다.
그러나, 전지셀 외부 냉각에 의존하는 방식은, 전지의 두께가 두꺼워지는 경우, 전지셀 내부의 중심에서 상승한 온도가 전지셀 외부에 있는 방열판으로의 온도 전달이 쉽지 않기 때문에, 전지셀 전체의 온도를 균일하게 냉각시킬 수 없다.
이에, 전극집전체에 냉각용 탭을 결합하고, 이를 전지 외부로 꺼내는 형식으로 전도에 의한 열전달 방식도 개발되었으나, 이 역시 소망하는 정도의 충분한 냉각이 이루어지지 못하며, 전지셀들로부터 방출되는 열에 비해 냉각 속도가 현저히 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 충방전 과정에서 생기는 발열, 및 외부 충격, 침상 도체의 관통 등에 의한 내부 단락시, 보다 효율적인 냉각이 가능하여 안전성이 향상된 전지셀에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 전극조립체를 구성하는 적어도 하나의 전극의 무지부를 전지케이스 외주변의 단부까지 연장하여 함께 융착하고, 연장된 무지부가 개재된 상태로 열융착된 전지케이스 외주변의 실링부를 연장된 무지부로부터 전달된 열을 열전도에 의해 제거할 수 있는 구조의 C형 몰딩 클램프에 결합시키는 경우, 충방전 과정에서 생기는 발열, 및 외부 충격, 침상 도체의 관통 등에 의한 내부 단락시, 전극조립체 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있으며, 냉각속도를 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, C형 몰딩 클램프에 의해 전지케이스 외주변 실링부를 다시 한번 고정하므로, 전지 안전성 확보가 더욱 용이한 것을 확인하고 본 발명에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체, 및 상기 전극조립체가 수납부에 장착된 상태로 외주변이 열융착 되어 있는 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스를 포함하고;
상기 전극조립체를 구성하는 적어도 하나의 전극은, 전극 탭이 형성되지 않은 방향들 중의 적어도 일측 방향으로, 전지케이스 외주변의 단부까지 연장된 무지부가 집전체에 형성되어 있으며;
상기 연장된 무지부는 전지케이스의 외주변에 함께 열융착 되어 있고;
상기 연장된 무지부가 개재된 상태로 열융착된 전지케이스 외주변의 실링부는 연장된 무지로부터 전달된 열을 열전도에 의해 제거할 수 있는 구조의 C형 몰딩 클램프에 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 전지케이스의 열융착 부위와 만나는 연장된 무지부의 일면 또는 양면에는 절연성 확보를 위한 절연성 테이프가 부착되어 있을 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 전극집전체에 냉각용 탭을 결합하고, 이를 전지 외부로 노출시키는 것만으로는 전지 내부에서 외부로 직접 열전도가 가능하기는 하나, 외부에서의 열 냉각에 한계가 있고, 외부로 방열부재를 노출시킨다고 하더라도, 그 노출된 부분은 극히 적어서, 외부에서의 냉각 속도가 매우 더딘 바, 충분한 냉각효과를 얻을 수 없다.
반면에, 본원발명의 전지셀은 전극집전체의 무지부를 전지셀의 단부까지 연장시키고 이를 냉각 효과를 가지는 C형 몰딩 클램프에 결합시킴으로써, 외부에서 냉각 속도를 향상시킬 수 있는 수단을 제공하는 바, 충방전에 따른 열발생 및 침상 도체의 관통에 따른 내부 단락의 발생시, 냉각속도를 올려 발화를 막고, 더 나아가 C형 몰딩 클램프에 의해 실링부가 압착되는 바, 무지부의 개재로 저하될 수 있는 전지케이스의 실링강도를 높여 전지 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다
더욱이, 상기 연장된 무지부와 C형 몰딩 클램프와의 결합에 의해 더욱 향상된 냉각 효과를 얻기 위해, 상기 연장된 무지부는 그것의 일측 단부가 외부로 노출된 상태로, 전지케이스의 외주변에 함께 열융착되어 있을 수 있고, 상기 C형 몰딩 클램프는, 열전도가 가능한 방열 바(bar) 또는 수냉 또는 공냉이 가능한 방열 관이 내부에 삽입되어 있고, 상기 실링부의 삽입을 위한 슬릿이 일면에 형성되어 있는 구조로 이루어져, 상기 C형 몰딩 클램프의 슬릿에 실링부가 삽입된 상태로 연장된 무지부와 C형 몰딩 클램프 내부의 방열 바 또는 방열 관이 열적으로 접촉되어 있을 수 있다.
즉, 상기 연장된 무지부의 일단부가 C형 몰딩 클램프의 방열 바 또는 방열 관에 직접 접촉하고 상기 방열 바는 열전도에 의해, 방열 관은 공냉 또는 수냉에 의해 추가적인 냉각이 가능하므로, 보다 냉각 속도를 높여 더욱 빠르게 방열이 가능하다.
더욱 상세하게는, 온전히 열전도에 의한 것보다 공냉 또는 수냉으로 공기 또는 물의 접촉에 의해 냉각속도가 현저히 향상되므로, 상기 C형 몰딩 클램프 내부에는 방열 관이 형성되어 있을 수 있다.
한편, 상기 연장된 무지부의 형성 위치와 관련하여, 상기 전극조립체를 구성하는 전극들 중에서 둘 이상의 전극들은 연장된 무지부를 집전체에 포함하고 있으며; 상기 연장된 무지부들 중에서 동일한 극성의 무지부들은 같은 방향으로 연장되어 있고, 다른 극성의 무지부들은 반대 방향으로 연장되어 있을 수 있다.
상기 연장된 무지부는 전지케이스의 실링부에 개재되는 바, 서로 다른 극성의 전극으로부터 연장된 무지부가 같은 방향에 개재될 수도 있지만, 이 경우, 단락을 방지하기 위해 연장된 무지부의 폭, 즉 전극 길이 방향으로의 폭을 각각 50% 이하로 감소시켜야 하고, 이 경우, 냉각 효율이 떨어질 수 있는 바, 서로 다른 극성의 전극으로부터 연장된 무지부들은 서로 반대 방향으로 연장됨이 바람직하다.
또한, 연장된 무지부는 극성이 동일한 경우, 일측으로만 형성될 수도 있지만, 극성이 동일한지 상이한지와 관계 없이, 냉각 효과를 상승시키기 위해 전지케이스의 양측면으로 형성되는 것이 바람직하고, 하나의 구체적인 예에서, 전극조립체를 구성하는 전극들 중에서 전극조립체의 중간부에 위치하는 하나 이상의 전극이, 전지케이스의 양측 외주변의 단부까지 연장된 무지부를, 집전체에 포함하고, 이들이 C형 몰딩 클램프의 방열 바 또는 방열 관에 열적 접촉되어 있을 수 있다.
여기서, 상기 중간부는 전극조립체의 적층방향, 두께방향을 기준으로 중심에서 상하로 인접한 두 개의 전극을 포함하는 정도를 의미한다.
또는, 또 하나의 구체적인 예에서, 전극조립체의 양측 최외곽에 위치하는 전극들이, 전지케이스 외주변의 단부까지 연장된 무지부를, 집전체에 포함하고 있고, 상기 무지부들은 서로 다른 방향으로 연장되어 C형 몰딩 클램프의 방열 바 또는 방열 관에 열적 접촉되어 있을 수 있다.
이때, 상기 전극조립체가 전지케이스의 내장되고, 상기 연장된 무지부가 실링부에서 함께 열융착되기 위해 전지케이스의 구조를 고려하면, 상기 연장된 무지부는 전극조립체의 중간부에 위치하는 전극으로부터 형성되는 것이 보다 바람직하다.
상기에서 설명한 바와 같이, 이러한 상기 구조 또는 냉각 효율의 극대화를 위해, 상기 무지부의 폭은 전극 길이 방향, 전극 탭의 돌출방향을 기준으로 전극조립체 길이의 50 내지 100%, 상세하게는 80 내지 100%일 수 있다. 상기 폭이 50% 미만인 경우, 열전도 넓이도 작고, C형 몰딩 클램프의 방열 바 또는 방열 관에 접촉하는 부위도 적어 소망하는 정도의 냉각 효율을 얻을 수 없어 바람직하지 않다.
상기 전지케이스 실링부를 압착하는 C형 몰딩 클램프는, 그 소재에 있어 한정되지 아니하나, 절연성을 더욱 확보하기 위해 절연성 소재로 이루어질 수 있고, 탄성력을 가져, 슬릿에 삽입된 전지케이스의 실링부를 탄성력에 의해 가압할 수 있다.
이와 같이, 상기 C형 몰딩 클램프가 탄성력을 가짐으로써, 실링부를 압착할 수 있어, 무지부의 개재로 저하될 수 있는 전지케이스의 실링강도를 높여 전지 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 방열 바는 연장된 무지부로부터 열을 전달받아 열전도에 의해 냉각 효과를 발휘하는 바, 열전도성 소재로 이루어질 수 있고, 상세하게는 금속일 수 있다.
상기 방열 관은, 내부에서 유동하는 냉매에 의해, 연장된 무지부로 전달된 열을 수냉 또는 공냉에 의해 냉각 효과를 발휘하는 바, 방열 관의 소재는 한정되지 아니하나, 더욱 우수한 냉각 효과를 위해 열전도성 소재로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 전지케이스 내부에 장착되는 전극조립체는, 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극 및 그 사이에 개재되어 있는 분리막으로 이루어진 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 권취형(젤리-롤), 스택형 또는 스택/폴딩형으로 이루어진 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
젤리-롤의 경우, 상세하게는, 권취 단부에서 연장된 양극과 음극의 무지부들 중 어느 하나는 일측으로, 다른 어느 하나는 젤리-롤 폭의 반정도를 더 둘러 타측으로 연장된 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 둘 이상 포함하는 전지모듈을 제공한다.
상기 전지셀들로 구성되는 전지모듈은, 더 나아가, 열교환 부재를 추가로 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 전지셀의 C형 몰딩 클램프 내부의 방열 바 또는 방열 관은 상기 열교환 부재에 열적으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 열교환 부재의 구조는 특별히 제한되지 않으며, 상세하게는, 단순한 공냉식일 수도 있으나, 냉매의 유동을 위한 하나 또는 둘 이상의 유로가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 예를 들어, 열교환 부재에 물 등과 같은 액상 냉매의 유동을 위한 냉매 유로를 형성함으로써, 종래의 공냉식 구조에 비해 높은 신뢰성으로 우수한 냉각 효과를 발휘할 수 있다. 이때, 상기 유로는 상기 C형 몰딩 클램프 내부의 방열 관과 연결되어 있을 수도 있다.
또한, 본 발명은 소망하는 출력 및 용량에 따라 하나 이상의 전지모듈을 조합하여 제조되는 전지팩과, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
본 발명에 따른 디바이스는 고출력 대용량의 달성을 위해 다수의 전지팩을 포함함으로써, 충방전시 발생하는 고열의 안전성 측면에서 심각하게 대두되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등의 전원에 바람직하게 사용될 수 있다.
특히, 장시간에 걸쳐 전지팩을 통한 높은 출력이 요구되는 전기자동차와 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 경우, 높은 방열 특성이 요구되는 바, 그러한 측면에서 본 발명에 따른 전지팩은 전기자동차와 플러그-인 하이브리드 전기자동차에 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.
앞서 설명한 전지모듈, 전지팩, 디바이스는 전지셀을 사용하는 당해 분야에서 그것의 구조 및 제작 방법이 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 전극조립체를 구성하는 적어도 하나의 전극의 무지부를 전지케이스 외주변의 단부까지 연장하여 함께 융착하고, 연장된 무지부가 개재된 상태로 열융착된 전지케이스 외주변의 실링부를 연장된 무지로부터 전달된 열을 열전도에 의해 제거할 수 있는 구조의 C형 몰딩 클램프에 결합시킴으로써, 전지셀 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있으며, 그에 따라 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, C형 몰딩 클램프에 의해 실링강도를 향상시킬 수 있으므로, 전지 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 단면도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도이다;
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 단면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈을 위한 다수의 전지셀들을 배열한 정면도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈을 위한 다수의 전지셀들을 배열한 측면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 내부를 볼 수 있는 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 전지셀의 평면도가 투시도로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전지셀(100)은 양극(111)/분리막(112)/음극(112) 구조의 전극조립체(110)가 라미네이트 시트의 전지케이스(120) 내부에 장착되어 있고, 전극조립체(110)를 구성하는 전극들 중에서 전극조립체(110)의 중간부에 위치하는 서로 다른 극성의 전극들(113, 114)이, 전극 탭(115)이 형성되지 않은 일측 및 타측, 즉 서로 다른 방향으로, 전지케이스(120) 외주변의 단부까지 연장된 무지부들(131, 132)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
이때, 연장된 무지부들(131, 132)은 그것의 일측 단부가 외부로 노출된 상태로, 전지케이스(120)의 외주변에서 함께 열융착되어 있고, 연장된 무지부들(131, 132) 각각의 양면에는 전극 탭(115)의 절연성을 확보하기 위해 부착되어 있는 절연성 테이프(116)와 같이 이러한 열융착에 대해 절연성을 확보하기 위해 절연성 테이프(133, 134)가 부착되어 있다.
또한, 연장된 무지부들(131, 132)이 개재된 상태로 열융착된 전지케이스(120) 외주변의 실링부는 각각 C형 몰딩 클램프들(141, 143)의 슬릿에 삽입된 상태로 C형 몰딩 클램프들(141, 143)과 결합되어 있고, C형 몰딩 클램프들(141, 143)의 내부에는 열전도가 가능한 방열 관들(142, 144)을 각각 삽입되어 있어, 연장된 무지부들(131, 132)와 열적으로 접촉하고 있다.
여기서, 상기 방열 관들(142, 144)은, 내부에서 유동하는 냉매에 의해, 연장된 무지부들(131, 132)로 전달된 열을 수냉 또는 공냉에 의해 냉각시킨다
따라서, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 연장된 무지부들(131, 132)과, 실링부에 결합되어 있고 내부에 연장된 무지부들(131, 132)과 접촉하여 수냉 또는 공냉이 가능한 방열 관들(142, 144)이 삽입되어 냉각 효과를 가지는 C형 몰딩 클램프들(141, 143)에 의해, 외부에서 냉각 속도를 향상시킬 수 있는 수단을 제공하는 바, 충방전에 따른 열발생 및 침상 도체의 관통에 따른 내부 단락의 발생시, 냉각속도를 올려 발화를 막고, 더 나아가 C형 몰딩 클램프들(141, 143)에 의해 실링부가 압착되는 바, 연장된 무지부들(131, 132)의 개재로 저하될 수 있는 전지케이스(120)의 실링강도를 높여 전지 안전성을 더욱 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다.
도면에서는 방열 관으로 도시하였으나, 방열 바로 형성할 수도 있음은 물론이다.
도 3에는 본 발명에 따른 전지셀(200)의 또 다른 구조의 예를 보여주기 위한 전지셀(200)의 단면도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지셀(200)은 양극(211)/분리막(212)/음극(212) 구조의 전극조립체(210)가 라미네이트 시트의 전지케이스(220) 내부에 장착되어 있고, 전극조립체(210)를 구성하는 전극들 중에서 전극조립체(210)의 최외각에 위치하는 서로 다른 극성의 전극들(214, 215)이, 전극 탭(도시하지 않음)이 형성되지 않은 일측 및 타측, 즉 서로 다른 방향으로, 전지케이스(220) 외주변의 단부까지 연장된 무지부들(231, 232)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
이때, 연장된 무지부들(231, 232)은 그것의 일측 단부가 외부로 노출된 상태로, 전지케이스(220)의 외주변에서 함께 열융착되어 있고, 연장된 무지부들(231, 232) 각각의 양면에는 열융착에 대해 절연성을 확보하기 위해 절연성 테이프(233, 234)가 부착되어 있다.
즉, 도 1의 전지셀(100)과 비교하여 연장된 무지부들(231, 232)의 형성위치에서 차이가 있다.
한편, 본 발명에 따른 구조의 전지셀들을 다수 배열하여 전지모듈을 제조하는 경우, 이러한 전지모듈에 있어서, C형 몰딩 클램프들을 포함함에 따른 더욱 우수한 냉각 효과를 보여주기 위해 전지셀들(100, 101, 102, 103)이 배열되어 있는 구조의 전지모듈을 도 4 및 도 5에 도시하고 있다. 구체적으로, 그 구조를 좀더 명확히 하고자, 도 4에는 정면도를 모식적으로 도시하였으며, 도 5에는 측면도를 모식적으로 도시하였다.
도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 4개의 전지셀들(100, 101, 102, 103)이 나란히 배열되어 있고, 도 2에서 설명한 바와 같이, 전지케이스(120) 외주변의 단부까지 연장된 무지부들(131, 132)은 것의 일측 단부가 외부로 노출된 상태로, 전지케이스(120)의 외주변에서 함께 열융착되어 있으며, 연장된 무지부들(131, 132)이 개재된 상태로 열융착된 전지케이스(120) 외주변의 실링부는 각각 C형 몰딩 클램프들(141, 143)과 결합되어 있고, C형 몰딩 클램프들(141, 143)의 내부에는 열전도가 가능한 방열 관들(142, 144)을 각각 삽입되어 있어, 연장된 무지부들(131, 132)과 열적으로 접촉하고 있다.
여기서 더 나아가, 이러한 전지셀들(100, 101, 102, 103)의 배열되어 있는 방향의 하단부에는 C형 몰딩 클래프들(141, 143)이 형성된 전지케이스(120)의 양단에서 각각 열교환 부재들(150, 160)이 형성되어 있어 C형 몰딩 클래프들(141, 143) 내부에 삽입되어 있는 방열 관들(141, 143)과 열적으로 접촉되어 있다. 이러한 열교환 부재들(150, 160)의 내부에는 더욱이 공기 또는 물 등과 같은 냉매의 유동을 위한 유로들(151, 161)이 형성되어 있고, 이러한 유로들(151, 161)은 더 나아가, 도 5에서 보는 바와 같이, C형 몰딩 클래프들(141, 143) 내부에 삽입되어 있는 방열 관들(141, 143)과 연통되어, 냉매를 통한 열교환 부재들(150, 160)과의 상호작용(빨간색 화살표로 표시)에 의해 열교환이 빠르게 이루어질 수 있는 바, 종래 판상형의 방열부재를 열교환 부재와 접촉시킨 구조와 비교하여 높은 신뢰성으로 우수한 냉각 효과를 발휘할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1 >
양극의 제조
양극 활물질로 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2를 사용하였고, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 96.25 중량%, 및 Fx35(도전제) 1.5 중량%, PVdF(결합제) 2.25 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 양극을 제조하였다.
음극의 제조
음극 활물질로는 인조흑연과 천연흑연을 혼합하여 사용하였고, 음극 활물질 95.6 중량%, 및 Super-C (도전제) 1.0 중량%, SBR (결합제) 2.3 중량%와 CMC (증점제) 1.1 중량%를 용제인 물에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 구리 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.
이차전지의 제조
도 2와 같이, 상기 양극과 음극 사이에 PE 분리막을 개재한 구조의 전극조립체의 중간 부분에 위치하는 양극과 음극의 집전체의 무지부를 전지케이스의 외주변과 함께 실링될 수 있도록 서로 반대 방향으로 연장한 후, EC : EMC = 3 : 7 인 용매에 VC를 포함한 첨가제와 0.7M LiPF6 + 0.3M LiFSI의 염이 들어있는 전해액을 주입하고 연장된 무지부들과 함께 전지케이스를 실링하였으며, 이후, Al소재의 튜브형 방열관이 삽입된 플라스틱으로 이루어진 C형 몰딩 클램프로 양측 실링부를 집어 이차전지를 완성하였다.
<비교예 1>
실시예 1에서 집전체의 무지부를 연장하지 않고, C형 몰딩 클램프를 사용하지 않아 종래와 같이 제조한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 이차전지를 제조하였다.
<비교예 2>
실시예 1에서 집전체의 무지부를 연장하여 외부로 노출시키고, C형 몰딩 클램프를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 이차전지를 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1과 비교예 1 내지 2에서 각각 제조된 10 개의 이차전지들을 4.25V의 완전 충전된 상태로 준비하였다. 못 관통 시험기를 이용하여 철로 만들어진 직경 3mm의 못을 위에서 만들어진 전지의 중앙에 관통시켜 발화여부를 측정하였다.
이때, 못의 관통 속도는 25mm/sec으로 일정하게 하였고, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
발화여부 최고온도(℃)
실시예 1 발화없음 50.2
비교예 1 발화 -
비교예 2 발화없음 81.5
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지들은 10 개 전지 모두에서 발화가 일어나지 않고, 온도 상승이 크지 않은 반면, 비교예 1은 냉각 효과가 없어 발화가 일어나며, 비교예 2는 일부 냉각 효과로 인해 발화는 일어나지 않았으나, 온도 상승이 큰 것을 확인할 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 (14)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체, 및 상기 전극조립체가 수납부에 장착된 상태로 외주변이 열융착 되어 있는 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스를 포함하고;
    상기 전극조립체를 구성하는 적어도 하나의 전극은, 전극 탭이 형성되지 않은 방향들 중의 적어도 일측 방향으로, 전지케이스 외주변의 단부까지 연장된 무지부가 집전체에 형성되어 있으며;
    상기 연장된 무지부는 전지케이스의 외주변에 함께 열융착 되어 있고;
    상기 연장된 무지부가 개재된 상태로 열융착된 전지케이스 외주변의 실링부는 연장된 무지로부터 전달된 열을 열전도에 의해 제거할 수 있는 구조의 C형 몰딩 클램프에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연장된 무지부는, 그것의 일측 단부가 외부로 노출된 상태로, 전지케이스의 외주변에 함께 열융착 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 C형 몰딩 클램프는, 열전도가 가능한 방열 바(bar) 또는 수냉 또는 공냉이 가능한 방열 관이 내부에 삽입되어 있고, 상기 실링부의 삽입을 위한 슬릿이 일면에 형성되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 실링부는 C형 몰딩 클램프의 슬릿에 삽입된 상태로 결합되어 있고, 연장된 무지부가 C형 몰딩 클램프 내부의 방열 바 또는 방열 관에 열적으로 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극조립체를 구성하는 전극들 중에서 둘 이상의 전극들은 연장된 무지부를 집전체에 포함하고 있으며;
    상기 연장된 무지부들 중에서 동일한 극성의 무지부들은 같은 방향으로 연장되어 있고, 다른 극성의 무지부들은 반대 방향으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체를 구성하는 전극들 중에서 전극조립체의 중간부에 위치하는 하나 이상의 전극은, 전지케이스의 양측 외주변의 단부까지 연장된 무지부를, 집전체에 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 양측 최외곽에 위치하는 전극들은, 전지케이스 외주변의 단부까지 연장된 무지부를, 집전체에 포함하고 있고, 상기 무지부들은 서로 다른 방향으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 C형 몰딩 클램프는 절연성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 C형 몰딩 클램프는 슬릿에 삽입된 전지케이스의 실링부를 탄성력에 의해 가압하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 방열 바는 열전도성 소재로 이루어져 있고, 연장된 무지부로 전달된 열을 열전도에 의해 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 방열 관은, 내부에서 유동하는 냉매에 의해, 연장된 무지부로 전달된 열을 수냉 또는 공냉에 의해 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스의 열융착 부위와 만나는 연장된 무지부의 일면 또는 양면에는 절연성 테이프가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전지셀이 둘 이상 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전지모듈은 열교환 부재를 포함하고 있고, 상기 전지셀의 C형 몰딩 클램프 내부의 방열 바 또는 방열 관은 상기 열교환 부재에 열적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
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