KR20180095132A - 배터리 셀 - Google Patents

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마르쿠스 콜베르거
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 필름형 피복(4), 및 상기 피복(4) 내에 배치되며 2개의 전극, 즉 캐소드 및 애노드를 갖는 적어도 하나의 전극 유닛(10)을 포함하는 배터리 셀(2)에 관한 것이다. 프레임 부(30)는 피복(4)의 내부에 배치되며 전극 유닛(10)을 적어도 부분적으로 둘러싸고있다.

Description

배터리 셀 {BATTERY CELL}
본 발명은 필름형 피복, 및 상기 피복 내에 배치되며 2개의 전극, 즉 캐소드 및 애노드를 갖는 적어도 하나의 전극 유닛을 포함하는 배터리 셀에 관한 것이다.
미래에는, 풍력 발전소와 같은 고정 응용 분야, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차로서 설계된 자동차뿐만 아니라 랩톱 또는 휴대 전화와 같은 전자 장치에도, 신뢰성, 안전성, 성능 및 내구성과 관련한 매우 높은 요구 조건이 주어지는 새로운 배터리 시스템이 사용될 것이다.
특히, 소위 리튬 이온 배터리 셀이 사용된다. 상기 배터리 셀은 특히 높은 에너지 밀도, 열 안정성 및 극도로 낮은 자기 방전을 특징으로 한다. 리튬 이온 배터리 셀은 포지티브 전극 및 네거티브 전극을 포함하고, 충전 과정 및 방전 과정 중에 리튬 이온들이 가역적으로 상기 전극들에 저장되고 다시 빠져나올 수 있다. 이러한 과정은 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션이라고도 한다. 리튬 이온 배터리 셀의 추가 개발은 포스트 리튬 이온 기술, 예를 들면 리튬 황 또는 리튬 공기를 사용한 배터리 셀이다.
배터리 셀은 일반적으로 하나 또는 다수의 전극 유닛을 포함한다. 전극 유닛은 2개의 필름형 전극, 즉 애노드 및 캐소드를 포함한다. 전극들은 세퍼레이터가 사이에 배치된 상태로 감겨서, 젤리 롤(Jelly Roll)이라고도 하는 전극 코일을 형성한다. 또한, 전극들은 세퍼레이터가 사이에 배치된 상태로 전극 스택의 형태로 적층될 수 있다. 전극 코일 및 전극 스택의 2개의 전극들은 2개의 컬렉터에 의해 단자라고도 하는 배터리 셀의 2개의 극에 전기적으로 연결된다.
배터리 셀에 대한 다양한 형태가 알려져 있다. 예를 들어, 배터리 셀은 프리즘 형태로, 특히 직육면체의 형태로 형성된 셀 하우징을 포함하고, 상기 셀 하우징은 예를 들어 알루미늄으로 제조되고 내압성으로 형성된다. 셀 하우징의 내부에 전극 유닛이 배치된다. 또한, 원통형 셀 하우징을 갖는 배터리 셀이 공지되어 있다.
또한, 필름형 피복을 갖는 배터리 셀이 공지되어 있다. 2개의 전극을 갖는 전극 유닛이 피복 내에 배치된다. 필름형 피복은 예를 들면 알루미늄 복합 필름이며, 100 마이크로 미터 내지 150 마이크로 미터의 두께를 갖는다. 전극 유닛을 피복 내로 도입한 후에, 그 안에 존재하는 공기는 저압에 의해 흡입 배출되고 피복은 용접된다.
상기 유형의 배터리 셀은 예를 들어 DE 102 25 041 A1에 개시되어 있다. 배터리 셀은 필름에 의해 둘러싸인 전극 유닛을 포함한다. 이 경우 전극 유닛의 컬렉터는 추가의 플라스틱 필름으로 덮여있다.
US 2009/0286150 A1은 지지 프레임을 포함하는 비교적 평평한 배터리 셀을 개시한다. 지지 프레임은 2부분으로 형성되며, 특히 배터리 셀의 기계적 안정성을 높인다.
WO 95/29513 A1은 배터리 셀의 전극 유닛을 위한 프레임 구조를 개시한다. 전극 유닛 둘레에 배치되며 예를 들어 접착 테이프에 의해 연결되는 개별 강성 벽이 제공된다.
본 발명의 과제는 프레임 부가 전극 유닛의 손상을 확실하게 방지하는 배터리 셀을 제공하는 것이다.
필름형 피복, 및 상기 피복 내에 배치되며 2개의 전극, 즉 캐소드 및 애노드를 갖는 전극 유닛을 포함하는 배터리 셀이 제공된다.
본 발명에 따르면, 상기 전극 유닛을 적어도 부분적으로 둘러싸는 프레임 부가 상기 피복 내에 배치된다.
전극 유닛은 예를 들어 전극 스택으로서 형성되고, 대략 프리즘 형태, 특히 대략 직육면체 형태로 형성된다.
프레임 부는 바람직하게는 전극 유닛의 에지와 피복의 접촉을 방지한다.
바람직하게는, 프레임 부는 전극 유닛을 둘러싸는 4개의 측벽을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 프레임 부의 적어도 하나의 측벽은 전극 유닛의 컬렉터의 통과를 위한 리세스를 포함한다.
프레임 부는 바람직하게는 일체형으로 형성된다.
프레임 부가 통 형태로 형성되는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 바람직한 개선 예에 따르면, 프레임 부의 외부로 향한 에지들은 라운딩되거나 챔퍼링된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 예에 따르면, 프레임 부는 전극 유닛의 면과 피복 사이에 배치된 스프링 요소를 포함한다.
본 발명에 따른 배터리 셀은 전기 자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV) 또는 플러그-인 하이브리드 자동차(PHEV)에 바람직하게 사용된다.
본 발명에 따라 형성된 배터리 셀에서, 프레임 부는 전극 유닛의 손상을 확실하게 방지한다. 포스트 리튬 이온 기술을 사용한 배터리 셀의 경우 바람직하게는 세라믹으로 형성되는 세퍼레이터와 전극은 비교적 경질이며 깨지기 쉽기 때문에, 압력에 의한 손상을 받기 쉽다. 본 발명에 따라 형성된 배터리 셀에서, 전극 유닛의 에지들은 기계적 손상으로부터 보호된다. 손상으로 인해 발생할 수 있는 단락 및 기타 결함이 방지된다.
프레임 부는 체적 변동 시에도 전극 유닛을 보호한다. 포스트 리튬 이온 기술을 사용한 배터리 셀 내의 전극 유닛은 완전히 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 체적이 변화된다. 충전 과정에서, 전극 유닛은 팽창한다.
또한, 프레임 부는 전극 유닛의 에지에 의한 피복의 손상을 방지한다. 전극 유닛을 피복 내로 도입한 후에, 그 안에 존재하는 공기가 저압에 의해 흡입 배출되면, 전극 유닛의 부분적으로 날카로운 에지와 피복의 접촉이 방지된다.
프레임 부는 비용 효율적으로 제조될 수 있다. 프레임 부 내에 전극 유닛의 조립 및 피복 내에 프레임 부의 조립은 비교적 간단하며 복잡하지 않다. 따라서, 배터리 셀의 재료 비용 및 조립 비용은 미미하게만 증가한다. 또한, 프레임 부는 비교적 작은 공간을 필요로 한다. 따라서 배터리 셀의 체적은 프레임 부에 의해 약간 증가한다.
본 발명의 실시 예들이 이하에서 도면을 참고로 상세히 설명된다.
도 1은 배터리 셀의 사시도.
도 2는 배터리 셀용 프레임 부의 사시도.
도 3은 변형 예에 따른 배터리 셀용 프레임 부의 단면도.
도 4는 배터리 셀의 전극 유닛의 사시도.
도 5는 배터리 셀의 단면도.
도 1은 배터리 셀을 사시도로 도시한다. 배터리 셀(2)은 필름형 피복(4)을 포함하고, 상기 피복(4) 내부에는 이 도면에서 보이지 않는 전극 유닛(10)이 배치된다. 전극 유닛(10)은 캐소드 및 애노드, 그리고 제 1 컬렉터(24) 및 제 2 컬렉터(26)를 포함한다. 이 경우 애노드는 제 1 컬렉터(24)에 전기적으로 연결되고, 캐소드는 제 2 컬렉터(26)에 전기적으로 연결된다. 컬렉터들(24, 26)은 이를 위해 제공된 피복(4) 내의 개구들을 통해 피복(4)으로부터 돌출하고, 외부로부터 접근 가능하며 전기 접촉될 수 있다.
피복(4)은 알루미늄 복합 필름이다. 피복(4)은 이 경우 100 ㎛ 내지 150 ㎛의 두께를 갖는다. 물론, 피복(4)은 다른 재료로도 제조될 수 있고 다른 두께를 가질 수 있다.
전극 유닛(10)은 다수의 유닛 셀을 포함하고, 각각의 유닛 셀은 판형 캐소드와 판형 애노드를 포함한다. 판형 캐소드와 판형 애노드 사이에는 판형 세퍼레이터가 제공되어있다. 다수의 이러한 유닛 셀들이 적층되어 전극 스택, 즉 전극 유닛(10)을 형성한다.
각각 하나의 캐소드 접촉 플래그가 각각의 판형 캐소드로부터 돌출한다. 또한, 애노드 접촉 플래그가 각각의 판형 애노드로부터 돌출한다. 각각의 유닛 셀의 캐소드 접촉 플래그들은 서로 그리고 제 1 컬렉터(24)에 재료 결합 방식으로 연결, 특히 용접된다. 마찬가지로, 모든 유닛 셀의 모든 애노드 접촉 플래그들은 서로 그리고 제 2 컬렉터(26)에 재료 결합 방식으로 연결, 특히 용접된다.
전극 유닛(10)은 이 도면에서 보이지 않는 프레임 부(30)에 의해 둘러 싸여있다. 따라서, 프레임 부(30) 및 전극 유닛(10)은 피복(4)의 내부에 있다. 배터리 셀(2)의 제조 시에, 프레임 부(30)는 전극 유닛(10)과 함께 피복(4) 내로 도입된다. 그리고 나서, 피복(10) 내에 존재하는 공기가 흡입 배출되고, 그 후에 피복(4)이 용접되며 기밀 방식으로 폐쇄된다. 프레임 부(30)는 특히 전극 유닛(10)의 에지와 피복(4)의 접촉을 방지한다.
도 2에는 배터리 셀(2)용 프레임 부(30)가 사시도로 도시된다. 프레임 부(30)는 제 1 측벽(31), 제 2 측벽(32), 제 3 측벽(33) 및 제 4 측벽(34)을 포함한다. 프레임 부(30)는 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드 또는 폴리페닐렌설파이드로 이루어진다. 상기 물질들의 조합물 또는 혼합물도 가능하다.
프레임 부(30)의 4개의 측벽(31, 32, 33, 34)은 프레임 부(30)가 대략 직육면체 형태로 형성되도록 배치된다. 제 1 측벽(31)은 제 3 측벽(33)과 마주보고 있다. 또한, 제 2 측벽(32)은 제 4 측벽(34)과 마주보고 있다. 제 1 측벽(31)과 제 3 측벽(33)은 서로 평행하게 연장된다. 제 2 측벽(32)과 제 4 측벽(34)도 서로 평행하게 연장된다. 제 1 측벽(31)과 제 3 측벽(33)은 제 2 측벽(32)과 제 4 측벽(34)에 대해 대략 직각으로 연장된다.
이 경우, 측벽들(31, 32, 33, 34)은 대략 0.5 mm의 벽 두께를 갖는다. 다른 벽 두께, 특히 0.25 mm 내지 1 mm의 벽 두께도 가능하다. 4개의 측벽(31, 32, 33, 34)은 도 2에 도시되지 않은 전극 유닛(10)을 수용하는 자유 공간(38)을 둘러싸고 있다.
제 1 측벽(31) 내에 2개의 리세스(35)가 제공된다. 자유 공간(38)은 대략 직육면체 형태로 형성되고, 이미 언급한 바와 같이 전극 유닛(10)을 수용하는 역할을 한다. 리세스들(35)은 자유 공간(38)으로부터 제 1 컬렉터(24) 및 제 2 컬렉터(26)의 통과를 위해 사용된다.
이 경우, 프레임 부(30)는 일체형으로 형성된다. 즉, 측벽들(31, 32, 33 및 34)은 서로 일체형으로 연결된다. 그러나 별도의 측벽들(31, 32, 33, 34)로 프레임 부(30)를 다체형으로 형성하는 것도 가능하다.
프레임 부(30)는 외부로 향한 에지들(39)을 포함한다. 프레임 부(30)의 에지들(39)은 라운딩되거나 챔퍼링된다. 이는 프레임 부(30)의 에지들(39)이 특히 날카롭지 않거나 뾰족하지 않다는 것을 의미한다. 이로 인해, 프레임 부(30)의 에지들(39)이 배터리 셀(2)의 피복(4)을 손상시키는 것이 방지된다.
대안으로서, 프레임 부(30)를 통 형태로 형성하는 것이 가능하다. 이 경우, 프레임 부(30)는 4개의 측벽(31, 32, 33, 34) 외에, 전극 유닛(10)이 놓이는 바닥면을 포함하고, 4개의 측벽(31, 32, 33, 34)에 의해 측면으로 둘러싸여 있다.
변형 예에 따른 배터리 셀(2)용 프레임 부(30)의 단면이 도 3에 도시되어 있다. 프레임 부(30)는 제 1 측벽(31), 제 2 측벽(32), 제 3 측벽(33) 및 제 4 측벽(34)에 연결된 스프링 요소(37)를 포함한다. 스프링 요소(37)는 프레임 부(30)의 한 면을 적어도 거의 완전히 덮는다.
스프링 요소(37)는 배터리 셀(2) 내에 설치된 상태에서 전극 유닛(10)의 한 면과 피복(4) 사이에 배치된다. 따라서, 스프링 요소(37)는 피복(4)과 전극 유닛(10) 사이에 힘을 야기하므로, 배터리 셀(2) 내에 경우에 따라 존재하는 유격을 제거한다.
배터리 셀(2)의 전극 유닛(10)은 도 4에 사시도로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 전극 유닛(10)은 전극 스택으로서 형성되며 다수의 유닛 셀을 포함하고, 상기 유닛 셀들은 각각 판형 캐소드 및 판형 애노드를 포함하며, 상기 캐소드 및 애노드는 각각 판형 세퍼레이터에 의해 서로 분리된다.
전극 유닛(10)은 프리즘 형태로, 이 경우 직육면체의 형태로 형성된다. 전극 유닛(10)의 단부면으로부터, 제 1 컬렉터(24) 및 제 2 컬렉터(26)가 돌출된다. 전극 유닛(10)은 프레임 부(30)의 자유 공간(38)의 치수에 대략 대응하는 치수를 갖는다. 따라서, 전극 유닛(10)은 프레임 부(30)의 자유 공간(38)을 거의 완전히 채운다.
배터리 셀(2)의 단면이 도 5에 도시되어 있다. 피복(4)은 프레임 부(30) 및 전극 유닛(10)을 둘러싸고 있다. 컬렉터들(24, 26)(도면에서는 제 1 컬렉터(24)만이 나타남)은 프레임 부(30)의 제 1 측벽(31) 내에 제공된 리세스(35)를 통해 돌출한다.
전극 유닛(10)은 제 1 측벽(31)과 제 3 측벽(33) 사이에 거의 완전하게 배치된다. 마찬가지로, 전극 유닛(10)은 여기에 도시되지 않은 제 2 측벽(32)과 마찬가지로 도시되지 않은 제 4 측벽(34) 사이에 완전히 배치된다.
도 5에 나타나는 바와 같이, 측벽들(31, 33)뿐만 아니라 보이지 않는 측벽들 (32, 34)은 전극 유닛(10)의 두께보다 약간 더 크다. 즉, 측벽들(31, 32, 33, 34)은 적어도 하나의 방향으로 전극 유닛(10)보다 멀리 연장된다. 전극 유닛(10)은 측벽들(31, 32, 33, 34)에 의해 완전히 둘러싸인다. 특히, 전극 유닛(10)의 에지와 피복(4)의 접촉이 방지된다.
전극 유닛(10)은 추가의 수단에 의해 예를 들어 압력 끼워맞춤 방식으로 및/또는 형상 끼워맞춤 방식으로 프레임 부(30)의 자유 공간(38) 내에 고정될 수 있다. 예를 들어 전극 유닛(10)과 측벽들(31, 32, 33, 34) 중 적어도 하나의 측벽 사이에 적절한 탄성 스페이서가 삽입될 수 있다.
그러나 접착에 의해 프레임 부(30)의 자유 공간(38) 내에 전극 유닛(10)을 고정하는 것도 가능하다. 예를 들어 아크릴 기반으로 또는 실리콘 기반으로 제조되는 탄성 접착제가 상기 접착을 위해 특히 적합하다. 이 경우 접착제는 전극 유닛(10)과 측벽들(31, 32, 33, 34) 중 적어도 하나 측벽 사이에 남아있는 공간을 채움으로써 전극 유닛(10)을 프레임 부 내에 고정할 수 있다.
본 발명은 설명된 실시 예들 및 양상들로 제한되지 않는다. 오히려, 청구 범위에 의해 제시된 범위 내에서 당업자의 행위의 범위를 벗어나지 않는 다수의 변형이 가능하다.
2 배터리 셀
4 피복
10 전극 유닛
30 프레임 부
31, 32, 33, 34 측벽
39 에지

Claims (10)

  1. 필름형 피복(4), 및 상기 피복(4) 내에 배치되며 2개의 전극, 즉 캐소드 및 애노드를 갖는 적어도 하나의 전극 유닛(10)을 포함하는 배터리 셀(2)에 있어서,
    프레임 부(30)는 상기 피복(4)의 내부에 배치되며 상기 전극 유닛(10)을 적어도 부분적으로 둘러싸고,
    상기 피복(4)은 상기 프레임 부(30)를 완전히 둘러싸고,
    상기 피복(4)은 알루미늄 복합 필름이고,
    상기 프레임 부(30)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드 또는 폴리페닐렌설파이드 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 유닛(10)은 전극 스택으로서 형성되고, 프리즘 형태로 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프레임 부(30)는 상기 전극 유닛(10)의 에지와 상기 피복(4)의 접촉을 방지하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프레임 부(30)는 상기 전극 유닛(10)을 둘러싸는 4개의 측벽(31, 32, 33, 34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  5. 제 4 항에 있어서,
    적어도 하나의 측벽(31)은 상기 전극 유닛(10)의 컬렉터(24, 26)의 통과를 위한 적어도 하나의 리세스(35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프레임 부(30)는 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프레임 부(30)는 통 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프레임 부(30)의 외부로 향한 에지(39)는 라운딩되거나 챔퍼링되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프레임 부(30)는 상기 전극 유닛(10)의 한 면과 상기 피복(4) 사이에 배치된 스프링 요소(37)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  10. 전기 자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV) 또는 플러그-인 하이브리드 자동차(PHEV) 내에 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 배터리 셀(2)의 용도.
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