KR20220065547A - 파우치형 배터리 셀 - Google Patents

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KR20220065547A
KR20220065547A KR1020200152191A KR20200152191A KR20220065547A KR 20220065547 A KR20220065547 A KR 20220065547A KR 1020200152191 A KR1020200152191 A KR 1020200152191A KR 20200152191 A KR20200152191 A KR 20200152191A KR 20220065547 A KR20220065547 A KR 20220065547A
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battery cell
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KR1020200152191A
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최양규
이서로
최영선
최은정
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에스케이온 주식회사
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Abstract

양극판(131)과 음극판(133)이 세퍼레이터(135)를 사이에 두고 복수개 적층되어 형성되는 전극조립체(130); 상기 전극조립체를 내부에 수용하는 전극수용부(110)와, 상기 전극수용부의 둘레 중 적어도 일부에 상기 전극조립체의 밀봉을 위한 실링부(120)를 갖는 파우치(101); 및 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되며 상기 실링부를 통하여 상기 파우치의 외부로 노출되는 양극리드와 음극리드를 포함하는 전극리드(140);를 포함하고, 상기 전극수용부(110)는 높이보다 큰 폭을 갖는 몸체부(111)와, 상기 몸체부의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장되고 상기 몸체부보다 작은 폭을 갖는 연장부(115)를 포함하고, 상기 전극리드(140)는 상기 연장부(115)의 폭방향 외측에 위치하며, 상기 전극리드(140)의 끝단은 상기 파우치(101)의 외곽보다 낮은 높이를 갖는 파우치형 배터리 셀(100)을 제공한다.

Description

파우치형 배터리 셀{Pouch-type Battery Cell}
본 발명은 파우치의 내부에 전극조립체를 구비하는 이차전지용 파우치형 배터리 셀 및 이를 구비하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차, 전기자동차와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있다.
이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 진행 중이다. 최근 들어 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouch type) 배터리 셀이나 강성을 가진 각형 또는 원통형 캔형(can type) 배터리 셀로 제조되어, 다수 개의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 사용하게 된다. 이때, 다수 개의 배터리 셀은 적층된 형태의 셀 적층체를 형성하여 모듈 하우징 내부에 배치되어 배터리 모듈을 이루게 된다.
도 1은 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(10)을 구비하는 배터리 모듈(20)의 일 예를 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 파우치형 배터리 셀(10)의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 파우치형 배터리 셀(10)의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 파우치형 배터리 셀(10)을 구비하는 종래기술에 의한 배터리 모듈(20)은 모듈 하우징(21, 25) 내부에 복수 개의 파우치형 배터리 셀(10)이 적층된 상태로 배치된다. 모듈 하우징(21, 25)은 바닥부(22)와 측벽부(23)으로 구성되어 일측(예를 들어, 상측)이 개방된 형상을 갖는 하부 플레이트(21)와 하부 플레이트(21)의 개방된 일측을 덮는 커버 플레이트(25)를 포함할 수 있다. 이러한 모듈 하우징(21, 25)은 양단이 개방된 관 형상을 가질 수 있으며, 개방된 양단은 엔드 플레이트(26)에 의해 덮이는 구조를 가질 수 있다. 엔드 플레이트(26)와 배터리 셀(10)의 적층체 사이에는 버스바 조립체(30)가 구비될 수 있다. 버스바 조립체(30)는 전극리드(15)가 전기적으로 연결되는 버스바(미도시)와, 버스바에 전기적으로 연결되고 외부와의 전기적 접속을 위한 접속단자(32)를 구비할 수 있다. 그리고, 엔드 플레이트(26)에는 접속단자(32)를 외부로 노출시키기 위한 개구부(27)가 형성될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 종래의 파우치형 배터리 셀(10)은 양극판, 음극판, 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체(미도시) 및 전극조립체를 감싸는 파우치(외장재)(11)를 포함할 수 있다. 파우치(11)는 전극조립체를 수용하는 부분을 형성하는 전극수용부(12)와, 전극조립체의 둘레를 따라 파우치(11)의 주변부가 접합되어 형성된 실링부(13; 13a, 13b)로 이루어진다.
또한, 파우치형 배터리 셀(10)은 전극조립체의 전극판(양극판, 음극판)와 연결되어 배터리 셀(10)의 폭방향(길이방향)(도 3에서 좌우방향) 양단에서 파우치(12)의 외측으로 돌출된 전극리드(15)와, 실링부(13a, 13b) 중에서 전극리드(15)가 인출되는 위치에서 파우치(11)의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보할 수 있는 절연부(15a)를 포함하는 형태를 갖는다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(10)은 폭방향(길이방향) 양단(양측 측부)에 실링부(13a)가 형성되고 실링부(13a) 외부로 전극리드(15)가 연장되는 구조를 가지므로 전극조립체의 전극판(양극판과 음극판)이 설치되는 영역(A')의 폭(길이)(L1)은 배터리 셀(10)의 전체 폭(길이)(L) 중에서 일부에 해당하는 영역만을 갖게 된다. 즉, 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(10)은 배터리 셀의 양단에서 각각 실링부(13a)의 폭(L3)과 전극리드(15)의 돌출길이(L4)를 합한 폭(L2)만큼 전극판이 형성되지 않게 된다. 이와 같이, 파우치형 배터리 셀(10)의 경우 전극리드(15)가 노출된 일측 부분에서 전극판이 형성되지 않는 영역의 폭(길이)(L2)은 대략 20mm 내외이다. 양극판과 음극판에 각각 연결된 전극리드(15)가 배터리 셀(10)의 양측에 배치된다는 점을 고려하면, 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(10)은 배터리 셀(10)의 전체 폭(길이)(L) 중에서 대략 40mm 내외의 폭(길이) 부분에 전극판이 설치되지 않게 된다. 특히, 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(10)은 전극리드(15)의 높이와 관계없이(예를 들어, 전극리드의 높이가 전극조립체의 높이 중에서 어느 정도의 비율을 갖는 지와 관계없이) 배터리 셀(10)의 양단에서 일정 폭(L2) 만큼 전극판이 설치되지 않게 된다. 따라서, 종래의 파우치형 배터리 셀(10)은 배터리 셀의 전체 면적 중에서 전극판이 설치되지 않는 부분의 비율이 크므로 용량손실이 많이 발생하고, 이에 따라 단위 체적당 에너지 밀도를 충분히 높일 수 없다는 문제점이 있다.
도 4는 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(10')의 변형예를 도시한 개략도이다. 도 4에 도시된 파우치형 배터리 셀(10')은 2개의 전극리드(15)가 파우치의 일면(상면)에 동일한 방향으로 형성된 예를 도시하고 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 배터리 셀(10)의 경우 전극리드(15)가 파우치(11)의 양측에서 돌출되는 데 비해, 도 4에 도시된 배터리 셀(10')은 2개의 전극리드(15)가 상면 실링부(13b)로부터 동일한 방향으로 돌출되는 구조를 갖는다. 따라서, 도 4에 도시된 파우치형 배터리 셀(10')은 도 2 및 도 3에 도시된 배터리 셀(10)에 비해 전극조립체의 전극판(양극판과 음극판)이 설치되는 영역(A')을 증가시킬 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 파우치형 배터리 셀(10')은 전체 높이(H) 중에서 배터리 셀의 일단(상부)에서 실링부(13b)의 높이(H3')와 전극리드(15)의 돌출높이(H4')를 합한 높이(H2')만큼 전극판이 형성되지 않으며, 따라서 배터리 셀(10')의 전체 높이(H') 중에서 전극판의 높이(H1')가 차지하는 비율을 증가시킬 수 있다.
그러나, 도 4에 도시된 파우치형 배터리 셀(10')의 경우에도 2개의 전극리드(15) 사이의 공간에 전극판이 배치되지 않으므로 배터리 셀의 전체 영역을 효율적으로 사용할 수 없어서 용량손실이 발생하고 단위 체적당 에너지 밀도를 향상시키는 데에 한계가 있다.
더욱이, 최근에는 전기자동차용 배터리 시스템에서 배터리 모듈이 차량 바닥면(즉, 좌석 아래)에 위치할 경우, 배터리 모듈의 높이가 낮으면 낮을수록 공간활용도가 높아지므로 배터리 셀의 높이를 낮게 하고 폭(길이)을 길게 한 장폭의 배터리 셀에 대한 수요가 증가하고 있다.
또한, 전체적인 전기적 용량 증대를 구현하기 위한 측면에서도 장폭의 파우치형 배터리 셀(10)이 차량용 등 다양한 용도로 개발되고 있으며, 점차 급속 충전 등의 요구도 증가하고 있다.
급속 충전을 위해서는 배터리 셀의 저항을 낮추어야 하는데, 파우치형 배터리 셀(10)의 경우 저항을 낮추기 위해서는 전극리드(15)의 폭(도 2 및 도 3에서 전극리드의 상하방향 높이, 도 4에서 전극리드의 가로방향 길이)을 증대시키는 방법이 있다.
그러나, 도 2 및 도 3에 도시된 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(10)의 경우에는 배터리 셀(10)의 폭방향(길이방향)(도 3에서 좌우방향) 양단에서 전극리드(15)가 외부로 노출되는 구조를 가지므로 전극리드(15)의 폭이 배터리 셀(10)이 높이보다 작은 구조를 가질 수밖에 없다. 특히, 배터리 셀을 모듈로 구성하는 경우 전극리드(15)가 다른 부품(예를 들어, 버스바)에 연결하기 위한 여유 공간이 필요하므로 전극리드(15)의 폭은 배터리 셀(10)의 높이보다 충분히 작아야 한다.
이러한 점을 고려할 때, 배터리 셀의 저항 감소 목적으로 전극리드(15)의 폭을 증대시키기 위해서는 배터리 셀(10)의 높이를 증가시켜야 하지만, 이는 배터리 모듈(20)의 전체 높이를 감소시키고자 하는 최근 경향에 오히려 역행한다는 문제점이 있다(특히, 차량용 배터리 모듈의 경우에는 배터리 모듈 높이의 제약이 많다).
또한, 도 4에 도시된 배터리 셀(10')의 경우에도 동일한 방향으로 2개의 전극리드(15)가 노출되는 구조를 가지므로 전극리드(15)의 폭(도 4에서 가로방향 길이)를 증가시키는 것에 한계가 있다.
이와 같이, 종래기술에 의한 파우치형 배터리 모듈(10, 10')은 단위체적당 에너지 밀도가 저하되고 전극리드(15)의 폭을 증가시키는 것에 한계가 있으므로 급속충전에 적합하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 일 측면으로서, 단위 체적당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 배터리 셀 및 이를 구비하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 급속 충전에 유리한 배터리 셀 및 이를 구비하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 높이를 낮추면서도 단위 체적당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 배터리 셀 및 이를 구비하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적 중 적어도 일부를 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은, 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 복수개 적층되어 형성되는 전극조립체; 상기 전극조립체를 내부에 수용하는 전극수용부와, 상기 전극수용부의 둘레 중 적어도 일부에 상기 전극조립체의 밀봉을 위한 실링부를 갖는 파우치; 및 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되며 상기 실링부를 통하여 상기 파우치의 외부로 노출되는 양극리드와 음극리드를 포함하는 전극리드;를 포함하고, 상기 전극수용부는 높이보다 큰 폭을 갖는 몸체부와, 상기 몸체부의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장되고 상기 몸체부보다 작은 폭을 갖는 연장부를 포함하고, 상기 전극리드는 상기 연장부의 폭방향 외측에 위치하며, 상기 전극리드의 끝단은 상기 파우치의 외곽보다 낮은 높이를 갖는 파우치형 배터리 셀을 제공한다.
또한, 상기 실링부는 상기 전극수용부의 폭방향 양측 측부에 형성된 제1 실링부와, 상기 전극수용부의 상부에 형성된 제2 실링부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 실링부는 상기 연장부의 폭방향 양측 측부와 상부, 그리고 상기 몸체부 중에서 상기 연장부의 폭방향 양측에 위치한 부분의 상부에 형성될 수 있다.
상기 파우치는 한 장의 파우치 필름 외장재를 포밍하여 한 쌍의 전극수용부가 일정 간격을 두고 연결되도록 형성되며, 상기 한 쌍의 전극수용부는 연결된 부분이 접혀서(folding) 서로 마주 보는 형태를 갖고, 상기 전극수용부의 둘레에서 서로 맞닿는 부분에 상기 실링부가 형성되며, 상기 전극수용부 둘레에서 접히는 부분에는 상기 실링부가 형성되지 않을 수 있다.
그리고, 상기 제1 실링부는 적어도 1번 절곡된 제1 절곡부를 포함하고, 상기 제2 실링부는 상기 연장부의 상부에 적어도 1번 절곡된 제2 절곡부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 전극리드의 끝단은 상기 제2 절곡부의 외곽 높이보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
또한, 상기 제2 실링부는 상기 몸체부의 상부에 형성된 부분과 상기 연장부의 상부에 형성된 부분 사이에 단차가 형성될 수 있다. 이때, 상기 전극리드는 상기 몸체부의 상부에 형성된 상기 제2 실링부를 통하여 상기 파우치의 외부로 노출될 수 있다.
그리고, 상기 제1 절곡부와 상기 제2 절곡부 중 적어도 하나는 2회 절곡된 형상을 가질 수 있다.
한편, 상기 전극수용부의 폭은 상기 전극수용부의 높이보다 2배 이상의 크기를 가질 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀의 폭은 상기 배터리 셀의 높이보다 2배 이상의 크기를 가질 수 있다.
그리고, 상기 전극리드의 폭은 20mm 이상, 상기 배터리 셀의 폭의 1/3 이하의 크기를 가질 수 있다.
또한, 상기 전극리드의 두께는 0.15mm 이상, 1mm 이하의 범위를 가질 수 있다.
그리고, 상기 배터리 셀의 폭방향 일측 단부로부터 상기 연장부까지의 폭방향 거리는 상기 배터리 셀의 전체 높이보다 같거나 작은 값을 가질 수 있다.
한편, 상기 양극판, 상기 음극판, 상기 세퍼레이터는 각각 시트 형상으로 이루어지며 상호 적층되어 상기 전극조립체를 형성하고, 상기 양극판은 폭방향의 일측 상부에 상측으로 돌출되며 일측의 상기 양극리드와 연결되는 양극탭을 포함하며, 상기 음극판은 폭방향의 타측 상부에 상측으로 돌출되며 타측의 상기 음극리드와 연결되는 음극탭을 포함할 수 있다. 이때, 상기 양극판은 높이보다 큰 폭을 갖는 양극판 몸체부와, 상기 양극판 몸체부의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장되고 상기 양극판 몸체부보다 작은 폭을 갖는 상기 양극탭을 포함하고, 상기 음극판은 높이보다 큰 폭을 갖는 음극판 몸체부와, 상기 음극판 몸체부의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장되고 상기 음극판 몸체부보다 작은 폭을 갖는 상기 음극탭을 포함할 수 있다.
다른 측면으로서, 본 발명은, 전술한 파우치형 배터리 셀이 복수개 적층되어 형성된 셀 적층체; 및 상기 전극리드와 전기적으로 연결되는 전도성의 버스바를 구비하는 버스바 조립체;를 포함하며, 상기 버스바는 상기 전극리드에 상기 배터리 셀의 상하방향으로 결합되는 배터리 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈은, 상기 배터리 셀을 수용하는 내부공간이 형성되며 길이방향 양단이 개방된 파이프 형상을 갖는 모듈 하우징;을 추가로 포함하며, 상기 모듈 하우징의 개방된 양단에는 엔드 플레이트가 결합될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전극수용부의 몸체부뿐만 아니라 몸체부의 폭방향 양측에서 상하방향으로 연장된 전극리드 사이의 공간에도 전극조립체(전극판)가 위치하는 구조를 가질 뿐만 아니라, 전극리드가 파우치의 외곽으로 노출되지 않으므로 배터리 셀의 단위체적당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
특히, 전극수용부의 폭방향 양측 측부에 폭방향으로 전극리드가 노출되는 종래의 파우치형 배터리 셀은 전극수용부의 폭방향 양측 측부를 전극조립체의 설치에 이용할 수 없지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 셀은 절곡부를 제외한 파우치의 거의 모든 폭을 전극조립체의 설치에 충분히 활용할 수 있으므로 배터리 셀 자체의 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 셀의 높이보다 폭(길이)이 큰 형상의 장폭의 배터리 셀의 구현이 가능하므로, 배터리 셀의 높이를 낮추면서도 단위체적당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다는 효과가 있게 된다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 높이보다 2배 이상의 폭을 갖는 장폭의 배터리 셀에서 상하방향으로 전극리드가 노출되는 구조를 가지므로, 전극리드의 폭을 충분히 크게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전극리드의 단면적(폭×두께) 증대가 가능하여 전극리드에 발생하는 저항을 감소시킬 수 있어서 배터리 셀 및 배터리 모듈의 급속 충전에 유리하다는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 파우치형 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈의 일 예를 도시한 분해 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 파우치형 배터리 셀의 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 파우치형 배터리 셀의 개략도.
도 4는 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀의 변형예를 도시한 개략도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 파우치형 배터리 셀을 도시한 사시도.
도 6은 도 5의 사각 박스 부분에 대한 확대도.
도 7은 도 5에 도시된 파우치(외장재)에 설치되는 전극 조립체 및 전극리드의 분해 사시도.
도 8 내지 도 13은 도 5에 도시된 파우치형 배터리 셀을 제조하는 공정의 일 예를 도시한 도면으로서, 도 8은 도 7에 도시된 전극조립체가 적층되고 전극리드와 결합된 상태에서 파우치에 삽입되는 과정을 도시한 사시도이고, 도 9는 도 8의 후속 공정으로서 파우치 내부에 전극조립체 및 전극리드가 수용된 상태에서 파우치가 접히는 과정을 도시한 사시도이고, 도 10은 파우치가 접힌 상태에서 파우치의 측면(넓은 면)을 도시한 개략도이고, 도 11은 도 10의 파우치에 대하여 실링부가 형성된 상태를 도시한 개략도이고, 도 12는 도 11의 실링부에 제1 및 제2 절곡부를 형성하는 과정을 도시한 개략도이고, 도 13은 도 12에서 제1 및 제2 절곡부가 형성되고 전극리드의 최종 상태를 도시한 파우치형 배터리 셀의 개략도.
도 14는 도 7에 도시된 파우치형 배터리 셀을 구비하는 배터리 모듈의 일 예를 도시한 사시도.
도 15는 도 14의 A-A' 선에 따른 단면도.
도 16은 도 14의 B-B' 선에 따른 단면도.
도 17은 도 14의 C-C' 선에 따른 개략적 단면도.
도 18은 도 14에 도시된 배터리 모듈에 모듈 하우징과 엔드 플레이트가 추가된 상태를 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.
먼저, 도 5 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 파우치형 배터리 셀(100)에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 파우치형 배터리 셀(100)을 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 사각 박스 부분에 대한 확대도이고, 도 7은 도 5에 도시된 파우치(외장재)(101)에 설치되는 전극 조립체(130) 및 전극리드(140)의 분해 사시도이며, 도 8 내지 도 13은 도 5에 도시된 파우치형 배터리 셀(100)을 제조하는 공정의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 파우치형 배터리 셀(100)은, 복수의 전극판(131, 133)을 구비하는 전극조립체(130), 전극조립체(130)를 수용하는 파우치(101) 및 전극조립체(130)에 연결되고 파우치(101)의 외부로 노출된 전극리드(140)를 포함하여 구성된다.
각각의 배터리 셀(100)은 파우치형(pouch type) 이차전지로 구성되며, 파우치(외장재)(101) 내에 전극조립체(130)와 전해액이 수용된 형태를 가질 수 있다. 일 예로서, 본 발명의 실시예에서 파우치형 배터리 셀(100)은 충전과 방전이 가능한 리튬 이온(Li-ion) 전지 또는 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지로 이루어질 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 파우치(101)는 전극수용부(110)와 실링부(120)로 구분될 수 있으며, 알루미늄 등의 소재로 이루어진 파우치 필름 외장재로 이루어질 수 있다. 전극수용부(110)는 용기 형태로 형성되어 사각 형상의 내부 공간을 제공한다. 전극수용부(110)의 내부 공간에는 전극조립체(도 7의 130) 및 전해액이 수용된다. 전극수용부(110)는 전극조립체(130)에 대응하는 형상을 가지며, 전극조립체(130)의 수용을 위하여 전극조립체(130)보다 약간 큰 형상을 갖는다.
또한, 전극수용부(110)는 전극조립체(130)를 수용하도록 전극조립체(130)에 대응하는 형상을 갖는다. 즉, 전극수용부(110)는 높이보다 큰 폭을 갖는 몸체부(111)와, 몸체부(111)의 폭방향 중앙부에서 상하 방향으로 연장되고 몸체부(111)보다 작은 폭을 갖는 연장부(115)를 구비할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서 전극수용부(110)는 몸체부(111)를 이루는 사각형과 몸체부(111)보다 작은 폭을 갖는 연장부(115)로 이루어지는 사각형이 결합된 형상을 가질 수 있다. 즉, 전극수용부(110)는 8개의 면을 갖는 '凸(철)'자 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 높이보다 큰 폭의 배터리 셀(100)을 형성하기 위하여 전극수용부(110)의 폭(도 10의 W)은 전극수용부(110)의 높이(도 10의 H)보다 2배 이상의 크기를 가질 수 있다.
실링부(120)는 파우치(101)의 적어도 일부가 접합되어 전극수용부(110)의 둘레를 밀봉하는 부분이다. 실링부(120)는 전극수용부(110)의 둘레 중 적어도 일부에 전극조립체(110)의 밀봉을 위하여 형성된다. 따라서, 실링부(120)는 용기 형태로 형성되는 전극수용부(110)에서 외부로 확장되는 플랜지 형태로 형성되며, 전극수용부(110)의 외곽 중 적어도 일부분을 따라 배치된다. 실링부(120) 형성을 위한 파우치(101)의 접합에는 열융착 방식이 이용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예에서 실링부(120)는 전극수용부(110)의 폭방향 양측 측부에 형성된 제1 실링부(121)와, 전극수용부(110)의 상부에 형성된 제2 실링부(125)를 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 전극조립체(130)는 다수의 전극판(131, 133)과 세퍼레이터(135)를 구비하며 파우치(101)의 전극수용부(110) 내에 수납된다. 전극판(131, 133)은 전극수용부(110)와 서로 대응하는 크기와 형상을 가지며, 전극수용부(110)의 내부에 수용되므로 전극수용부(110)의 크기는 전극판(131, 133)보다 약간 크게 형성될 수 있다.
전극판(131, 133)은 시트 형상의 양극판(131)과 시트 형상의 음극판(133)으로 구성되며, 전극조립체(130)는 양극판(131)과 음극판(133)의 넓은 면이 서로 마주보도록 한 상태에서 양극판(131)과 음극판(133)이 시트 형상의 세퍼레이터(135)를 사이에 두고 적층된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 전극조립체(130)는 복수의 양극판(131), 음극판(133) 및 세퍼레이터(135)를 구비하며, 시트 형상의 양극판(131), 세퍼레이터(135), 음극판(133), 세퍼레이터(135)가 순서대로 적층되는 구조를 갖는다. 양극판(131)과 음극판(133)은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성될 수 있으며, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 양극판(131)은 높이보다 큰 폭을 갖는 양극판 몸체부(131a)와, 양극판 몸체부(131a)의 폭방향 중앙부에서 일측(예를 들어, 상하 방향)으로 연장되고 양극판 몸체부(131a)보다 작은 폭을 갖는 양극판 연장부(131b)를 포함할 수 있다. 또한, 양극판(131)은 양극판 몸체부(131a)의 폭방향 일측 가장장리(에를 들어, 좌측)에서 양극판 몸체부(131a)의 일측(예를 들어, 상측)으로 돌출 형성되며 일측의 전극리드(140)와 연결되는 양극탭(132)을 포함할 수 있다.
양극판(131)과 유사하게 음극판(133)은 높이보다 큰 폭을 갖는 음극판 몸체부(133a)와, 음극판 몸체부(133a)의 폭방향 중앙부에서 일측(예를 들어, 상하 방향)으로 연장되고 음극판 몸체부(133a)보다 작은 폭을 갖는 음극판 연장부(133b)를 포함할 수 있다. 또한, 음극판(133)은 음극판 몸체부(133a)의 폭방향 타측 가장자리(예를 들어, 우측) 에서 음극판 몸체부(133a)의 일측(예를 들어, 상측)으로 돌출 형성되며 타측의 전극리드(140)와 연결되는 음극탭(134)을 포함할 수 있다.
즉, 양극탭(132)과 음극탭(134)은 각각 전극조립체(130)의 폭방향 양측에서 상측 방향으로 돌출되는 형상을 가질 수 있으며, 양극과 음극에 대응하는 전극리드(140)에 각각 연결될 수 있다.
양극판 연장부(131b)와 양극탭(132)이 형성된 양극판(131)과, 음극판 연장부(133b)와 음극탭(134)이 형성된 음극판(133)은 시트 형상의 전극판 소재를 준비하고 양극판(131)과 음극판(133)의 형상에 각각 대응하도록 전극판 소재의 둘레에 노칭 작업을 수행함으로써 형성될 수 있다.
그리고, 세퍼레이터(135)는 양극판(131)과 음극판(133)을 전기적으로 분리하기 위하여 양극판(131)과 음극판(133)보다 약간 큰 크기를 갖는다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 전극리드(140; 141, 142)는 전극조립체(130)의 양극판(131)과 음극판(133)에 각각 전기적으로 연결되는 양극리드(141)와 음극리드(142)를 포함한다. 양극리드(141)는 양극판(131)의 폭방향 일측에서 상측으로 연장된 형상을 갖는 복수의 양극탭(132)과 연결되고 음극리드(142)는 음극판(133)의 폭방향 타측에서 상측으로 연장된 형상을 갖는 복수의 음극탭(134)과 연결될 수 있다. 즉, 전극리드(140)는 전극수용부(110)의 몸체부(111)의 폭방향 양측에서 각각 일측(예를 들어, 상하방향)으로 연장되어 전극조립체(130)에 연결되며, 전극수용부(110)의 연장부(115)의 폭방향 외측에 위치하게 된다. 또한, 전극리드(140)는 실링부(120)를 통하여 파우치(101)의 외부로 노출될 수 있다. 한편, 전극리드(140)는 파우치(101)의 외부로 필요 이상으로 노출되지 않도록 실링부(120)를 형성한 후 절단라인(CL)을 기준으로 절단될 수 있다. 이때, 절단라인(CL)을 기준으로 한 전극리드(140)의 높이(도 13의 HL)는 파우치(101)의 외곽 높이(도 13의 HC)보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
도 8 내지 도 13을 참조하여, 도 5에 도시된 파우치형 배터리 셀(100)을 제조하는 공정 및 파우치형 배터리 셀(100)의 구체적인 구조에 대해 설명한다.
도 8은 도 7에 도시된 전극조립체(130)가 적층되고 전극탭(132, 134)이 전극리드(140; 141, 142)와 결합된 상태에서 파우치(101)에 삽입되는 과정을 도시한 사시도이고, 도 9는 도 8의 후속 공정으로서 파우치(101) 내부에 전극조립체(130) 및 전극리드(140)가 수용된 상태에서 파우치(101)가 접히는 과정을 도시한 사시도이다. 그리고, 도 10은 파우치(101)가 접힌 상태에서 파우치(101)의 측면(넓은 면)을 도시한 개략도이고, 도 11은 도 10의 파우치(101)에 대하여 전극수용부(110) 둘레에 실링부(120)가 형성된 상태를 도시한 개략도이고, 도 12는 도 11의 실링부(120)에 제1 및 제2 절곡부(122, 126)를 형성하는 과정을 도시한 개략도이고, 도 13은 도 12에서 제1 및 제2 절곡부(122, 126)가 형성되고 전극리드(140)의 단부가 절단라인(CL)을 기준으로 절단된 최종 상태를 도시한 파우치형 배터리 셀(100)의 개략도이다.
먼저, 도 8에 도시된 바와 같이, 전극조립체(130)를 수용할 수 있도록 한 쌍의 전극수용부(110)가 형성된 파우치(101)를 준비하고, 전극조립체(130)와 전극리드(140)를 결합하여 전극수용부(110)에 수용할 수 있도록 준비한다.
본 실시예에서 파우치(101)는 한 장의 파우치 필름 외장재를 포밍(forming)하여 한 쌍의 전극수용부(110)가 일정 간격을 두고 연결되도록 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 한 장의 파우치 필름 외장재의 중앙부(106)를 기준으로 일측과 타측에 각각 전극수용부(110)가 포밍에 의해 형성될 수 있다. 이때, 도 9에 도시된 바와 같이 파우치 필름 외장재를 접는 경우 두 개의 전극수용부(110)는 전극조립체(130)가 수용되는 하나의 공간을 형성하게 된다. 즉, 한 쌍의 전극수용부(110)는 연결된 부분, 즉 중앙부(106)가 접혀서(folding) 서로 마주보는 형태를 이루며 하나의 공간을 형성할 수 있다. 전극수용부(110)의 둘레에는 플랜지부(105)가 형성될 수 있다.
또한, 전극조립체(130)를 파우치(101)의 전극수용부(110)에 수용하기 전에 전극조립체(130)와 전극리드(140)를 미리 연결하게 된다. 도 7에 도시된 바와 같이 시트 형상의 양극판(131)과 음극판(133) 사이에 세퍼레이터(135)를 개재하여 복수의 양극판(131)과 음극판(133)을 적층한다. 즉, 양극판(131), 세퍼레이터(135), 음극판(133), 세퍼레이터(135)의 순서대로 적층한다. 그리고, 복수의 양극판(131)의 폭방향 일측에서 상측으로 연장된 복수의 양극탭(132)과 전극리드(140)를 연결하고, 복수의 음극판(133)의 폭방향 타측에서 상측으로 연장된 복수의 음극탭(134)과 전극리드(140)를 연결한다. 전극리드(140)와 복수의 양극탭(132) 또는 복수의 음극탭(134)은 용접에 의해 연결될 수 있다.
도 9를 참조하면, 전극조립체(130)가 전극수용부(130)에 수용되도록 하고, 전극리드(140)가 파우치(101)의 외부로 노출되도록 한 상태에서 파우치(101)를 접게 된다.
도 10은 파우치(101)가 접힌 상태에서 파우치(101)의 측면(넓은 면)을 도시하고 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 파우치(101)가 접힌 상태에서의 파우치의 전체높이, 즉 제2 절곡부(126) 형성 전 배터리 셀(파우치)의 높이(HCB)는 전극수용부(110)의 전체 높이(H)와 플랜지부(105)의 높이(HF)의 합이 된다. 또한, 파우치(101)가 접힌 상태에서의 파우치의 전체폭, 즉 제1 절곡부(122) 형성 전 배터리 셀(파우치)의 폭(WCB)는 전극수용부(110)의 전체 폭(W)과 양측 플랜지부(105)의 폭(WF)의 합이 된다.
다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이 전극수용부(110)의 둘레에서 서로 맞닿는 부분에 실링부(120)를 형성하게 된다. 실링부(120)는 전극수용부(110)의 외곽에서 파우치 필름 외장재가 접합되어 형성되는 부분이다. 다만, 전술한 바와 같이 1장의 외장재를 포밍하여 파우치(101)를 형성하는 경우 외장재가 접히는 부분에는 실링부(120)를 형성할 필요가 없다. 따라서 본 실시예에서 실링부(120)는 전극수용부(110)의 외곽에 형성되되, 전극수용부(110)의 상하좌우 면 중에서 세 면에만 구비되며, 전극수용부(110)의 외곽 중 어느 한 면(도 10 및 도 11의 하부면)에는 실링부(120)가 배치되지 않을 수 있다.
또한, 본 실시예에서 실링부(120)는 전극수용부(110)의 폭방향 양측 측부에 형성된 제1 실링부(121)와, 전극수용부(110)의 상부에 형성된 제2 실링부(125)를 포함할 수 있다.
제1 실링부(121)는 전극수용부(110)의 폭방향 양측에 각각 형성된 영역(S11, S12)을 포함하며, 도 10의 플랜지부(105)에서 소정의 폭(WS)을 갖도록 형성될 수 있다.
제2 실링부(125)는 전극수용부(110)의 연장부(115)의 폭방향 양측 측부 영역(S22, S24)과 연장부(115)의 상부 영역(S23), 그리고 몸체부(111) 중에서 연장부(115)의 폭방향 양측에 위치한 부분의 상부영역(S21, S25)에 형성될 수 있다. 그리고, 제2 실링부(125)는 도 10의 플랜지부(105)에서 소정의 폭(WS)을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 실링부(121)의 폭(WS)과 제2 실링부(125)의 폭(WS)은 전극수용부(110)의 밀봉을 위하여 필요한 폭으로 설정될 수 있다. 또한, 제1 실링부(121)와 제2 실링부(125) 중에서 후술하는 절곡부(122, 126)가 형성되는 부분은 폭(WS)은 절곡부(122, 126)의 형성에 필요한 크기를 가질 수 있다.
또한, 전극리드(140)는 몸체부(111) 중에서 연장부(115)의 폭방향 양측에 위치한 제2 실링부(125)의 영역(S21, S25)를 통하여 외부로 노출될 수 있다. 이때, 전극리드(140)가 인출되는 위치에서 제2 실링부(125)의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보할 수 있도록 전극리드(140)는 절연부(145)에 의해 덮인 상태를 가질 수 있다.
또한, 본 실시예의 배터리 셀(100)은 실링부(120)의 접합 신뢰성을 높이고 실링부(120)의 면적을 줄이기 위하여, 도 12의 확대도 및 도 6에 도시된 바와 같이 실링부(120)는 적어도 한 번 절곡된(접힌) 형태로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 파우치(101)는 실링부(120) 중에서 전극리드(140)가 배치되지 않은 영역을 절곡하여 절곡부(122, 126)를 형성할 수 있다.
도 5, 도 6, 도 12 및 도 13을 참조하면, 제1 실링부(121)는 적어도 1번 절곡된 제1 절곡부(122)를 구비하며, 제2 실링부(125)는 전극리드(140)가 노출되지 않는 연장부(115)의 상부 부분에 적어도 1번 절곡된 제2 절곡부(126)를 구비할 수 있다.
실링부(120)의 밀봉을 보다 확실하게 수행하고 실링부(120)의 면적을 최소화하기 위하여 제1 절곡부(122)와 제2 절곡부(126) 중 적어도 하나는 2회 절곡된 형상을 가질 수도 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 제1 실링부(121)는 절곡되기 전의 상태에서 전극수용부(110)로부터 제1 실링부 끝단라인(LS1)까지 연장되는 형상을 갖는다.
도 6을 참조하면, 제1 실링부(121)는 제1 절곡선(C1)을 따라 180° 접힌 후 제2 절곡선(C2)을 따라 다시 접혀 제1 절곡부(122)를 형성할 수 있다. 또한, 제1 절곡부(122)는 제3 절곡선(C3)을 따라 소정 각도만큼 추가로 접히는 구조를 가질 수 있다. 이때, 도 12의 접음선(F)은 도 6의 절곡선 중 어느 하나(C3)에 대응할 수 있다. 또한, 제1 실링부(121)의 내부에는 접착부재(AD)가 충진될 수 있으며, 접착부재(AD)에 의해 제1 실링부(121)는 제1 절곡부(122)의 형상을 유지할 수 있다. 접착부재(AD)는 열전도도가 높은 접착제로 형성될 수 있다. 예컨대, 접착부재(AD)는 에폭시나 실리콘으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 제1 실링부(121)에 제1 절곡부(122)를 형성함으로써 배터리 셀(100)에서 제1 실링부(121)가 차지하는 부피를 줄일 수 있게 된다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 제2 실링부(125)는 절곡되기 전의 상태에서 전극수용부(110)로부터 제2 실링부 끝단라인(LS2)까지 연장되는 형상을 갖는다. 도 6을 참조하면, 제2 실링부(125)는 제1 절곡선(C1)을 따라 180° 접힌 후 제2 절곡선(C2)을 따라 다시 접혀 제2 절곡부(126)를 형성할 수 있다. 또한, 제2 절곡부(126)는 제3 절곡선(C3)을 따라 소정 각도만큼 추가로 접히는 구조를 가질 수 있다. 이때, 도 12의 접음선(F)은 도 6의 절곡선 중 어느 하나(C3)에 대응할 수 있다. 또한, 제2 실링부(125)의 내부에는 접착부재(AD)가 충진될 수 있으며, 접착부재에 의해 제2 실링부(125)는 제2 절곡부(126)의 형상을 유지할 수 있다. 이와 같이, 제2 실링부(125)에 제2 절곡부(126)를 형성함으로써 배터리 셀(100)에서 제2 실링부(125)가 차지하는 부피를 줄일 수 있게 된다.
또한, 전극리드(140)가 노출되지 않는 연장부(115)의 상부 부분에 제2 절곡부(126)를 형성하기 위하여, 제2 실링부(125)는 몸체부(111)의 상부에 형성된 부분(S21)과 연장부(115)의 상부에 형성된 부분(S23) 사이에 단차가 형성될 수 있다. 즉, 연장부(115)의 상부 부분에 형성된 제2 실링부(125)의 부분(S23)은 몸체부(111)의 상부에 형성된 제2 실링부(125) 부분(S21)보다 높은 위치에 위치하므로 연장부(115)의 상부 부분에 형성된 제2 실링부(125)의 양단이 다른 구성과 접촉하지 않는 개방된 상태가 되고, 이에 따라 제2 절곡부(126)를 용이하게 형성할 수 있다.
도 13은 도 12에서 제1 및 제2 절곡부(122, 126)가 형성되고 전극리드(140)의 단부가 절단라인(CL)을 기준으로 절단된 최종 상태의 파우치형 배터리 셀(100)을 도시하고 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 절곡부(122, 126)을 형성함으로써 배터리 셀의 외곽 높이(HC)와 외곽 폭(WC)을 최소화할 수 있게 된다.
전극리드(140)는 파우치(101)의 외부로 필요 이상으로 노출되지 않도록 절단라인(CL)을 기준으로 절단될 수 있다. 이때, 절단라인(CL)을 기준으로 한 전극리드(140)의 높이(HL)는 배터리 셀의 외곽 높이(HC)보다 작은 높이를 가질 수 있다. 제2 절곡부(126)가 형성된 경우 전극리드(140)의 높이(HL)는 제2 절곡부(126)의 외곽 높이보다 낮은 높이를 가질 수 있다. 이와 같이, 전극리드(140)의 끝단은 파우치(101)의 외곽 높이(HC), 즉 제2 절곡부(126)의 외곽 높이보다 낮은 높이를 가지므로 전극리드(140)가 파우치(101)의 외곽으로 돌출되지 않는다. 이에 따라 배터리 셀(100)의 단위체적당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 사용되는 파우치(101)는 도 8에 도시된 바와 같이 한 장의 파우치 필름 외장재를 포밍하여 한 쌍의 전극수용부(120)를 형성하는 것에 한정되는 것은 아니며, 파우치 필름 외장재에 하나의 전극수용부(120)만을 포밍하여 형성되는 것도 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예에 사용되는 파우치(101)는 도 5 내지 도 13에 도시된 바와 같이 한 장의 파우치 필름 외장재를 접어 상하좌우 면 중에서 3면에 실링부(120)가 형성되는 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 2장의 외장재를 겹쳐 전극수용부(110)를 형성하고, 전극수용부(110) 둘레의 상하좌우 면 모두에 실링부(120)가 형성되는 것도 가능하다.
전술한 바와 같이, 양극판(131)은 양극판 몸체부(131a)와 양극판 연장부(131b)를 구비하며, 음극판(133)은 음극판 몸체부(133a)와 음극판 연장부(133b)를 구비한다. 또한, 양극판(131)과 음극판(133)은 서로 대응하는 크기와 형상을 갖는다.
도 7 및 도 13을 참조하면, 양극판(131)과 음극판(133)을 포함하여 구성되는 전극판(131, 133)의 전체 높이(HE)는 전극판 몸체부(131a, 133a)의 높이(HE1)와, 전극판 연장부(131b, 133b)의 높이(HE2)의 높이를 합한 값을 갖는다. 또한, 전극판(131, 133)의 전체 폭(WE)은 전극판 연장부(131b, 133b)의 폭(WE1)과 전극판 몸체부(131a, 133a) 중에서 전극판 연장부(131b, 133b)의 양측으로 연장된 부분의 폭(WE2, WE3)을 합한 값을 갖는다. 그리고, 전극판(131, 133)의 전체 면적(A)은 전극판 몸체부(131a, 133a)의 면적(A1)과, 전극판 연장부(131b, 133b)의 면적(A2)의 면적을 합한 면적이 된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀(100)은 전극리드(140) 사이의 공간에 전극판 연장부(131b, 133b)가 연장된 형상을 가지므로 전극판 연장부(131b, 133b)의 면적(A2) 만큼 전극판(131, 133)의 면적을 증가시킬 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100)의 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있게 된다.
또한, 전극판(131, 133)에 크기와 형상에 대응하여 전극수용부(110)가 형성되므로 전극수용부(110)의 높이, 폭, 면적은 전극판(131, 133)의 높이, 폭, 면적에 대응하는 크기를 갖는다.
이때, 전극판(131, 133)의 전체 폭(WE)은 전극판(131, 133)의 전체 높이(HE)의 2배 이상의 크기를 가질 수 있다. 따라서, 전극판(131, 133)에 대응하는 전극수용부(110)의 폭(도 10의 W)은 전극수용부(110)의 높이(도 10의 H)의 2배 이상의 크기를 가질 수 있다. 이와 마찬가지로, 절곡부(122, 126)가 형성된 상태에서 파우치(101)의 외곽 폭(절곡부가 형성된 배터리 셀의 외곽 폭)(WC)은 절곡부(122, 126)가 형성된 상태에서 파우치(101)의 외곽 높이(절곡부가 형성된 배터리 셀의 외곽 높이)(HC)의 2배 이상의 크기를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 전극판(131, 133)의 폭(WE)이 전극판(131, 133)의 높이(HE)의 2배 이상의 크기를 가지므로 전극리드(140)의 폭(WL)을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 즉, 전극리드(140)는 전극판(131, 133)의 양측에서 각각 상측방향으로 연장된 형상을 갖고, 전극리드(140)의 사이에 전극판 연장부(131b, 133b)가 위치하므로, 전극리드(140)의 폭(WL)은 전극판(131, 133)의 폭(WE)의 1/3까지 연장될 수 있다. 이에 따라, 전극리드(15)가 파우치(11)의 양 측면에서 노출되는 구조를 갖는 종래의 파우치형 배터리 셀(10)(도 2및 도 3 참조)에 비해 전극리드(140)의 폭을 충분히 크게 할 수 있다. 이때, 전극리드(140)의 최소 폭은 통상적으로 20mm로 제한된다. 즉, 본 발명의 실시예에서 전극리드(140)의 폭은 20mm 이상, 절곡부(122, 126)가 형성된 상태에서 파우치(101)의 폭(배터리 셀의 폭)(WC)의 1/3 이하의 크기를 가질 수 있다.
또한, 전극리드(140)의 두께는 최소 0.15mm 내지 최대 1mm의 값을 가질 수 있다. 통상적으로는 구리(Cu) 재질의 전극리드(예를 들어, 음극리드)의 경우 0.3mm, 알루미늄(Al) 재질의 전극리드(예를 들어, 양극리드)의 경우 0.4mm를 많이 사용하고 있으나, 전극리드(140)의 폭(WL)의 폭에 따라 전극리드(140)의 두께를 조절함으로써 전극리드의 단면적을 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전극리드(140)의 폭과 두께를 모두 증가시키거나 전극리드(140)의 두께가 고정된 상태에서 전극리드(140)의 폭을 크게 할 수 있으므로 전극리드(140)의 단면적(폭×두께) 증대가 가능하여 전극리드(140)에 발생하는 저항을 감소시킬 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 셀(100)은 전기저항을 감소시킬 수 있어서 급속 충전에 유리하게 된다.
또한, 절곡부(122, 126)가 형성된 상태에서 배터리 셀(100)의 폭방향 일측 단부로부터 전극수용부(110)의 연장부(115)까지의 폭방향 거리(WLA)는 절곡부(122, 126)가 형성된 상태에서 파우치(101)의 전체 높이(배터리 셀의 전체 높이)(HC)보다 같거나 작은 값을 가질 수 있다. 이와 같이, 전극리드(140)가 형성된 부분의 폭방향 거리(WLA)를 파우치(101)의 전체 높이(HC)보다 작게 하는 경우에는 전극리드(140) 사이의 전극수용부(110)에 구비되는 전극판 연장부(131b, 133b)의 폭(WE1)을 충분히 확보할 수 있으므로 전극리드(140)의 사이에 구비되는 파우치의 영역을 배터리 셀의 전기용량 증가에 이용할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전극수용부(110)의 몸체부(111)뿐만 아니라 전극리드(140) 사이의 공간에도 전극판(131, 133)이 위치하는 구조를 갖는 배터리 셀(100)을 복수 개 적층하고, 전극리드(140)의 높이(HL)가 배터리 셀(100)의 외곽 높이(HC)보다 낮은 높이를 갖도록 구성함으로써 배터리 셀(100)의 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있게 된다.
특히, 전극수용부(32)의 폭방향 양측에서 전극리드(35)가 노출되는 종래의 파우치형 배터리 셀(30)(도 2 및 도 3 참조)은 전극수용부(32)의 폭방향 양측을 전극조립체의 설치에 이용할 수 없지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(200)은 제1 절곡부(122)를 제외한 배터리 셀(100)의 거의 모든 폭을 전극판(131, 133)의 설치에 충분히 활용할 수 있으므로 배터리 셀(100) 자체의 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있게 된다.
그리고, 본 발명의 실시예에 의하면, 배터리 셀(100)의 높이보다 폭(길이)이 큰 형상의 장폭의 배터리 셀(100)의 구현이 가능하게 되므로 동일한 에너지 밀도를 구현하기 위하여 배터리 셀(100)의 높이를 낮추고 폭을 길게 구성하는 것이 가능하다.
다음으로, 도 14 내지 도 18을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(200)에 대해 설명한다.
도 14는 도 7에 도시된 파우치형 배터리 셀(100)을 구비하는 배터리 모듈(200)의 일 예를 도시한 사시도이고, 도 15는 도 14의 A-A' 선에 따른 단면도이고, 도 16은 도 14의 B-B' 선에 따른 단면도이고, 도 17은 도 14의 C-C' 선에 따른 개략적 단면도이며, 도 18은 도 14에 도시된 배터리 모듈에 모듈 하우징과 엔드 플레이트가 추가된 상태를 도시한 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(200)은 복수의 파우치형 배터리 셀(100)이 적층되어 형성된 셀 적층체(210) 및 버스바 조립체(240)를 포함하여 구성될 수 있으며, 추가로 모듈 하우징(220)을 구비할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이 파우치형 배터리 셀(100)은 복수개가 적층되어 셀 적층체(210)를 형성하게 된다. 셀 적층체(210)의 형상을 유지하기 위하여 이웃하는 배터리 셀(100)은 양면테이프(미도시)에 의해 서로 부착될 수 있다. 양면테이프는 배터리 셀(100)의 측면(넓은 면)에 부착되어 복수의 배터리 셀(100)을 상호 고정하게 된다.
도 14 및 도 17을 참조하면, 셀 적층체(210)에는 적어도 하나의 완충패드(215)가 배치될 수 있다. 완충패드(215)는 배터리 셀(100)과 모듈 하우징(220)의 측벽부 사이에 배치될 수 있으며, 배터리 셀(100) 사이에도 배치될 수 있다. 이러한 완충패드(215)는 특정 배터리 셀(100)이 스웰링(swelling) 현상에 의해 팽창하는 경우 압축되며 탄성 변형될 수 있으므로, 셀 적층체(210)의 전체의 부피가 팽창하는 것을 억제할 수 있다. 이를 위해 완충패드(215)는 폴리우레탄 재질의 폼(foam)으로 구성될 수 있으나 그 재질은 이에 한정되는 것은 아니다.
버스바 조립체(240)는 배터리 셀(100)의 전극리드(140)와 전기적으로 연결되는 전도성의 버스바(241)와 전기 절연성의 지지 플레이트(245)를 구비할 수 있다.
버스바(241)는 전극리드(140)가 상하방향으로 관통하여 결합하는 결합홀(243)이 형성된 전도성의 버스바 몸체(242)를 구비할 수 있다.
배터리 셀(100)의 전극리드(140)는 전극수용부(110)의 몸체부(111)의 폭방향 양측에서 각각 상하방향으로 연장되어 전극판(131, 133)에 연결되는 구조를 갖는다. 따라서, 전극리드(140)에 전기적으로 연결되는 버스바(241)는 전극수용부(110)의 연장부(115)의 폭방향 외측에서 배터리 셀(100)의 상하방향으로 이동하여 전극리드(140)에 결합될 수 있다. 전극리드(140)와 버스바(241)의 결합은 전극리드(140)가 버스바 몸체(242)의 관통홀을 관통한 상태, 즉 전극리드(140)가 버스바 몸체(242)의 외측으로 돌출되도록 한 상태에서 용접에 의해 수행될 수 있다.
전극리드(140)와 버스바(241)가 결합된 상태에서 버스바(241) 외측으로 필요 이상으로 돌출된 전극리드(140) 상단 부분은 배터리 셀(100)과 버스바 조립체(240)의 결합 이후에 절단라인(도 6, 도 12 및 도 13의 CL)을 기준으로 절단될 수 있으나, 버스바 조립체(240) 이전에 미리 절단되는 것도 가능하다. 이에 따라, 전극리드(140)의 끝단은 배터리 셀(100)의 외곽 높이(HC), 즉 제2 절곡부(126)의 외곽 높이보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
지지 플레이트(245)는 버스바 몸체(242)와 전극수용부(110) 사이에 배치되어 버스바(241)를 지지하며 전극리드(140)가 상하방향으로 관통하도록 형성된다. 즉, 전극리드(140)는 지지 플레이트(245)를 상하방향으로 관통한 후 버스바(241)에 형성된 관통홀을 통하여 버스바(241) 상측으로 노출될 수 있다. 이때, 전극리드(140)의 단부는 도 16에 도시된 바와 같이 벤딩되지 않은 구조, 즉 직선 형상을 가진 채로 버스바(241)에 결합될 수 있다. 이에 따라, 전극리드(140)에 벤딩을 수행하는 공정을 생략할 수 있고, 전극리드(140)와 버스바(241)의 결합이 용이하게 이루어질 수 있다. 한편, 지지 플레이트(245)에는 버스바(241)의 측면을 지지하는 구획돌기(245a)가 형성될 수 있다.
또한, 버스바(241)는 외부와의 전기적 연결을 위한 접속단자부(244)를 구비할 수 있으며, 접속홀(244c)에 플러그(미도시) 등 접속기구가 연결되어 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 접속홀(244c)은 외부 접속기구가 연결될 수 있도록 상하방향으로 관통된 홀 형상을 갖는다. 또한, 접속단자부(244)는 상하방향으로 관통된 접속홀(244c)을 형성하기 위하여 버스바 몸체(242)에 연결되며, 버스바 몸체(242)에 대하여 하방으로 절곡된 형상을 갖는 제1 몸체(244a)와, 제1 몸체(244a)로부터 절곡되어 버스바 몸체(242)와 평행한 방향으로 연장된 제2 몸체(244b)를 구비할 수 있다. 접속홀(244c)은 제2 몸체(244b)에 구비될 수 있다. 이러한 접속홀(244c)은 후술하는 바와 같이 엔드 플레이트(226)의 개구부(226a)를 통해 외부로 노출되어 외부 접속기구와 연결될 수 있다.
도 13을 참조하면, 버스바(241)의 높이(HB)는 버스바(241)가 전극리드(140)에 결합된 상태에서 배터리 셀(100)의 외곽 높이(HC)보다 낮은 높이를 가질 수 있다. 이때, 배터리 셀(100)의 최대 높이가 형성되는 부분은 제2 절곡부(126)이므로 버스바(241)의 높이(HB)는 버스바(241)가 전극리드(140)에 결합된 상태에서 제2 절곡부(126)의 외곽의 높이(HC)보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
또한, 버스바(241)와 전극리드(140)가 결합된 상태에서 전극리드(140)가 버스바(241)의 외측(상측)으로 노출되며, 전극리드(140) 끝단의 높이(HL)는 배터리 셀(100)의 외곽 높이(HC)보다 낮은 높이를 가질 수 있다. 이때, 본 명세서 및 청구범위에서 '전극리드(140) 끝단의 높이(HL)'는 전극리드(140)가 절단라인(도 6, 도 12 및 도 13의 CL)을 기준으로 절단된 이후의 높이를 의미하는 것으로 한다. 그리고, 전극리드(140) 끝단의 높이(HL)는 버스바(241)가 전극리드(140)에 결합된 상태에서 제2 절곡부(126)의 외곽의 높이(HC)보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면 버스바(241) 또는 전극리드(140)가 배터리 셀(100)의 외곽으로 노출되지 않으므로 배터리 셀(100)의 외곽 높이를 벗어나 상부에 버스바(241) 설치를 위한 별도의 공간이 필요치 않으므로 배터리 모듈(200)의 높이를 낮출 수 있게 된다.
특히, 최근에 배터리 모듈 수요처(예를 들어, 자동차 메이커)에서는 배터리 모듈(200)의 전체 높이를 낮춤으로써 얻을 수 있는 차량 주행 안정성의 향상에 많은 관심을 가지고 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(200)은 배터리 셀(100)의 높이를 낮출 수 있고, 배터리 셀(100)에 버스바 조립체(240)가 결합된 상태에서 배터리 모듈(200)의 높이를 낮추는 것이 가능하므로, 배터리 모듈(200) 수요처의 요구에 부응하여 배터리 모듈(200) 전체의 높이를 충분히 감소시킬 수 있게 된다(캔형 배터리 셀을 구비하는 배터리 모듈의 수준까지도 낮추는 것이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(200)은 도 18에 도시된 바와 같이 모듈 하우징(220)을 추가로 포함할 수 있다.
도 18을 참조하면, 모듈 하우징(220)은 배터리 모듈(200)의 외관을 구성하며, 복수 개의 배터리 셀(100)이 적층되어 형성된 셀 적층체(210) 외부에 배치되어 외부 환경으로부터 배터리 셀(100)을 보호하게 된다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(200)은 모듈 하우징(220)을 필수적으로 포함하는 것은 아니며, 도 14에 도시된 바와 같이 모듈 하우징(220)을 개재하지 않고 버스바 조립체(240)가 연결된 셀 적층체(210) 상태로 배터리 팩에 복수 개가 장착되는 것도 가능하다.
모듈 하우징(220)은 배터리 셀(100)을 수용하는 내부공간이 형성되며 길이방향 양단이 개방된 파이프 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 모듈 하우징(220)은, 일측이 개방된 단면 형상, 예를 들어 U형 단면(본 명세서에서, U형 단면은 모서리에 각이 진 형상을 포함하는 것으로 한다)을 갖는 하부 플레이트(221)와, 하부 플레이트(221)와 합형되어 배터리 셀(100)이 수용되는 내부공간을 형성하는 커버부(225)가 결합되어 파이프 형상의 구조를 형성할 수 있다. 이와는 달리, 모듈 하우징(220)은 하부 플레이트(221)와 커버부(225)가 일체로 형성된 양단 개방형의 모노 프레임 구조를 가질 수도 있다.
이하에서는 도 18을 참조하여, 하부 플레이트(221)와 커버부(225)가 결합되어 형성되는 모듈 하우징(220)을 예로 들어 설명하기로 한다.
모듈 하우징(220)의 내부공간에는 셀 적층체(210)가 배치되며, 모듈 하우징(220)을 구성하는 적어도 일면은 배터리 셀(100)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열 플레이트로서 기능할 수 있다.
하부 플레이트(221)는 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성된다. 예를 들어, 하부 플레이트(221)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 그러나 하부 플레이트(221)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 금속과 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
또한, 커버부(225)는 하부 플레이트(221)의 개방된 일측을 덮도록 구성된다. 커버부(225)는 하부 플레이트(221)와 마찬가지로 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성되거나, 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.
그리고, 하부 플레이트(221)와 커버부(225)의 결합은 도 18에 도시된 바와 같이 체결홀(221a, 225a)에 볼트/너트, 나사 등의 체결부재를 통해 수행될 수 있다. 다만, 하부 플레이트(221)와 커버부(225)의 결합은 용접(예를 들어, 레이저 용접 등), 슬라이딩 방식이나 본딩으로 결합하는 등 다양한 변형이 가능하다.
한편, 도 18을 참조하면, 모듈 하우징(220)은 개방된 양단을 덮도록 모듈 하우징(220)의 길이방향 전면과 후면에 배치되는 엔드 플레이트(226)를 포함할 수 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 엔드 플레이트(226)는 하부 플레이트(221)와 커버부(225)에 결합되어 하부 플레이트(221), 커버부(225)와 함께 모듈 하우징(220)의 외관을 형성한다.
엔드 플레이트(226)의 몸체는 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있으며 다이캐스팅이나 압출/프레스 등의 공정으로 제작 가능하다. 또한, 엔드 플레이트(226)는 버스바 조립체(240)의 접속단자부(244)의 접속홀(244c)을 외부로 노출시키기 위한 개구부(226a)를 구비할 수 있다.
엔드 플레이트(226)는 나사나 볼트와 같은 고정 부재를 통해 하부 플레이트(221) 및 커버부(225)에 결합될 수 있다. 그러나, 엔드 플레이트(226)의 결합방식은 이에 한정되는 것은 아니다.
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.
예를 들어, 전술한 실시예에서 일부의 구성요소를 삭제하여 실시될 수 있고, 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수도 있다.
100... 배터리 셀 101.. 파우치(외장재)
105... 플랜지부 106... 중앙부
110... 전극수용부 111... 몸체부
115... 연장부 120... 실링부
121.. 제1 실링부 122... 제1 절곡부
125... 제2 실링부 126... 제2 절곡부
130... 전극조립체 131... 양극판
131a... 양극판 몸체부 131b... 양극판 연장부
132... 양극탭 133... 음극판
133a... 양극판 몸체부 133b... 양극판 연장부
134... 음극탭연결부 135... 세퍼레이터
140... 전극리드 141... 양극리드
142... 음극리드 145... 절연부
200... 배터리 모듈 210... 셀 적층체
215... 완충패드 220... 모듈 하우징
221... 하부 플레이트 221a... 체결홀
225... 커버부 225a... 체결홀
226... 엔드 플레이트 226a... 개구부
240... 버스바 조립체 241... 버스바
242... 버스바 몸체 243... 결합홀
244... 접속단자부 244a... 제1 몸체
244b... 제2 몸체 244c... 접속홀
245... 지지 플레이트 245a... 구획돌기
A... 전극판 면적 A1... 몸체부 면적
A2... 연장부 면적 AD... 접착 부재
C1... 제1 절곡선 C2... 제2 절곡선
C3... 제3 절곡선 CL... 절단라인
F... 접음선 H... 전극수용부의 전체 높이
H1... 전극수용부의 몸체부 높이 H2... 전극수용부의 연장부 높이
HB... 버스바 높이 HC... 배터리 셀의 외곽높이
HCB... 절곡부 형성전 배터리 셀의 높이
HE... 전극판의 전체 높이 HE1... 전극판의 몸체부 높이
HE2... 전극판의 연장부 높이 HF... 플랜지부의 높이
HL... 전극리드의 높이
LS1... 제1 실링부 끝단라인 LS2... 제2 실링부 끝단라인
S11, S21, S21, S22, S23, S24, S25... 실링부의 영역
W... 전극수용부의 전체 폭 W1... 전극수용부의 연장부 폭
W2, W3... 전극수용부에서 연장부보다 돌출된 폭
WC... 배터리 셀의 외곽폭 WCB... 절곡부 형성전 배터리 셀의 폭
WE... 전극판의 전체 폭 WE1... 전극판의 연장부 폭
WE2, WE3... 전극판에서 연장부보다 돌출된 폭
WF... 플랜지부의 폭 WL... 전극리드의 폭
WLA... 전극리드 설치영역의 폭 WS... 실링부의 폭

Claims (16)

  1. 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 복수개 적층되어 형성되는 전극조립체;
    상기 전극조립체를 내부에 수용하는 전극수용부와, 상기 전극수용부의 둘레 중 적어도 일부에 상기 전극조립체의 밀봉을 위한 실링부를 갖는 파우치; 및
    상기 전극조립체와 전기적으로 연결되며 상기 실링부를 통하여 상기 파우치의 외부로 노출되는 양극리드와 음극리드를 포함하는 전극리드;
    를 포함하고,
    상기 전극수용부는 높이보다 큰 폭을 갖는 몸체부와, 상기 몸체부의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장되고 상기 몸체부보다 작은 폭을 갖는 연장부를 포함하고,
    상기 전극리드는 상기 연장부의 폭방향 외측에 위치하며,
    상기 전극리드의 끝단은 상기 파우치의 외곽보다 낮은 높이를 갖는 파우치형 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실링부는 상기 전극수용부의 폭방향 양측 측부에 형성된 제1 실링부와, 상기 전극수용부의 상부에 형성된 제2 실링부를 포함하는 파우치형 배터리 셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 실링부는 상기 연장부의 폭방향 양측 측부와 상부, 그리고 상기 몸체부 중에서 상기 연장부의 폭방향 양측에 위치한 부분의 상부에 형성되는 파우치형 배터리 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파우치는 한 장의 파우치 필름 외장재를 포밍하여 한 쌍의 전극수용부가 일정 간격을 두고 연결되도록 형성되며,
    상기 한 쌍의 전극수용부는 연결된 부분이 접혀서(folding) 서로 마주 보는 형태를 갖고, 상기 전극수용부의 둘레에서 서로 맞닿는 부분에 상기 실링부가 형성되며,
    상기 전극수용부 둘레에서 접히는 부분에는 상기 실링부가 형성되지 않는 파우치형 배터리 셀.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 실링부는 적어도 1번 절곡된 제1 절곡부를 포함하고,
    상기 제2 실링부는 상기 연장부의 상부에 적어도 1번 절곡된 제2 절곡부를 포함하는 파우치형 배터리 셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극리드의 끝단은 상기 제2 절곡부의 외곽 높이보다 낮은 높이를 갖는 파우치형 배터리 셀.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 실링부는 상기 몸체부의 상부에 형성된 부분과 상기 연장부의 상부에 형성된 부분 사이에 단차가 형성되는 파우치형 배터리 셀.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극리드는 상기 몸체부의 상부에 형성된 상기 제2 실링부를 통하여 상기 파우치의 외부로 노출되는 파우치형 배터리 셀.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 절곡부와 상기 제2 절곡부 중 적어도 하나는 2회 절곡된 형상을 갖는 파우치형 배터리 셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극수용부의 폭은 상기 전극수용부의 높이보다 2배 이상의 크기를 갖는 파우치형 배터리 셀.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 폭은 상기 배터리 셀의 높이보다 2배 이상의 크기를 갖는 파우치형 배터리 셀.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전극리드의 폭은 20mm 이상, 상기 배터리 셀의 1/3 이하의 크기를 갖는 파우치형 배터리 셀.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전극리드의 두께는 0.15mm 이상, 1mm 이하의 범위를 갖는 파우치형 배터리 셀.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 폭방향 일측 단부로부터 상기 연장부까지의 폭방향 거리는 상기 배터리 셀의 전체 높이보다 같거나 작은 값을 갖는 파우치형 배터리 셀.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 양극판, 상기 음극판, 상기 세퍼레이터는 각각 시트 형상으로 이루어지며 상호 적층되어 상기 전극조립체를 형성하고,
    상기 양극판은 폭방향의 일측 상부에 상측으로 돌출되며 일측의 상기 양극리드와 연결되는 양극탭을 포함하며,
    상기 음극판은 폭방향의 타측 상부에 상측으로 돌출되며 타측의 상기 음극리드와 연결되는 음극탭을 포함하는 파우치형 배터리 셀.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 양극판은 높이보다 큰 폭의 양극판 몸체부와, 상기 양극판 몸체부의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장되고 상기 양극판 몸체부보다 작은 폭을 갖는 상기 양극탭을 포함하고,
    상기 음극판은 높이보다 큰 폭을 갖는 음극판 몸체부와, 상기 음극판 몸체부의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장되고 상기 음극판 몸체부보다 작은 폭을 갖는 상기 음극탭을 포함하는 파우치형 배터리 셀.
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