KR20220141743A - 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈 - Google Patents

이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극 적층체; 및 상기 전극 적층체를 내부에 수납하는 전지 케이스를 포함한다. 상기 전지 케이스는 제1 케이스 및 제2 케이스를 포함하고, 상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스가 절연 접합부에 의해 접합되어 상기 전극 적층체가 수납된 상기 전지 케이스의 내부 공간이 밀봉된다. 상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 제2 전극 활물질층을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체는 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출부를 포함하고, 상기 제2 전극 집전체는 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출부를 포함한다. 상기 제1 돌출부가 상기 제1 케이스와 접합되고, 상기 제2 돌출부는 상기 제2 케이스와 접합된다.

Description

이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈{SECONDARY BATTERY AND BATTERY MODULE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 신규한 구조의 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
이차 전지에는 예를 들어 니켈 카드뮴전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 즉, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높다.
이차 전지는 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지와 전극 조립체가 금속 소재의 캔(Can)에 내장된 캔형 이차 전지로 분류될 수 있다. 상기 캔형 이차 전지에서의 캔은 원통형 또는 각형일 수 있다. 즉, 캔형 이차 전지는 원통형 전지와 각형 전지로 다시 분류될 수 있다.
그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가지는 반면에, 외형적 특성상 적층 구조로의 배열이 용이하지 않다. 또한, 충, 방전 시에 다른 형태의 전지에 비해 뒤틀림 현상이 발생할 가능성이 높다. 각형 전지의 경우, 내구성이 뛰어나고 대량 생산에 적합한 반면, 알루미늄 캔이 이용되기 때문에 무게가 많이 나가고 열 방출이 어렵다는 단점이 있다. 파우치형 전지는 무게가 가볍고, 가공이 쉬워서 형태를 다양화할 수 있는 장점을 갖는 반면, 각형과 원통형에 비해 생산 비용이 높다는 단점이 있다.
또한, 이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤형 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는 상기 젤리롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위 셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
젤리롤형 전극 조립체의 경우, 긴 시트 형태를 권취하는 방식이므로, 케이스에 수납 시 낭비되는 공간이 발생하여, 에너지 밀도가 낮아질 수 있다. 또한, 장시간 충, 방전 시 뒤틀림 현상과 스웰링 현상이 발생할 가능성이 있다. 반면, 스택형 전극 조립체의 경우, 케이스 내부의 잔여 공간을 최소화하여 고용량의 이차 전지를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 스택형 전극 조립체를 이용해 신규한 구조를 형성하는 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극 적층체; 및 상기 전극 적층체를 내부에 수납하는 전지 케이스를 포함한다. 상기 전지 케이스는 제1 케이스 및 제2 케이스를 포함하고, 상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스가 절연 접합부에 의해 접합되어 상기 전극 적층체가 수납된 상기 전지 케이스의 내부 공간이 밀봉된다. 상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 제2 전극 활물질층을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체는 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출부를 포함하고, 상기 제2 전극 집전체는 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출부를 포함한다. 상기 제1 돌출부가 상기 제1 케이스와 접합되고, 상기 제2 돌출부는 상기 제2 케이스와 접합된다.
상기 절연 접합부는, 상기 제1 케이스 및 상기 제2 케이스를 접합시키는 동시에 상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스 간의 전기적 절연을 유지할 수 있다.
상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스는, 금속 소재를 포함할 수 있다.
상기 절연 접합부는, 절연 페이스트 코팅부 또는 절연 용접부일 수 있다.
상기 제1 돌출부와 상기 제2 케이스 사이에 위치하는 제1 절연 부재 및 상기 제2 돌출부와 상기 제1 케이스 사이에 위치하는 제2 절연 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 절연 부재 및 상기 제2 절연 부재는 절연 테이프 또는 절연 페이스트 코팅층일 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 각각 복수로 상기 전극 적층체에 포함될 수 있고, 상기 제1 전극들의 제1 돌출부들이 서로 접합될 수 있으며, 상기 제2 전극들의 제2 돌출부들이 서로 접합될 수 있다.
상기 제1 돌출부들 중 상기 제1 케이스의 일면에 가장 가까이 위치한 제1 돌출부가 상기 제1 케이스의 상기 일면에 접합될 수 있다.
상기 이차 전지는, 상기 제1 돌출부들 중 상기 제1 케이스의 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제1 돌출부와 상기 제2 케이스의 일면 사이에 위치한 제1 절연 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 케이스의 상기 일면과 상기 제2 케이스의 상기 일면은, 상기 전극 적층체를 그 사이에 둔 채, 서로 반대편에 위치할 수 있다.
상기 제2 케이스의 상기 일면과 수직한 방향을 기준으로, 상기 제1 절연 부재는, 상기 제1 돌출부들 중 상기 제1 케이스의 상기 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제1 돌출부 전체를 커버할 수 있다.
상기 제2 돌출부들 중 상기 제2 케이스의 일면에 가장 가까이 위치한 제2 돌출부가 상기 제2 케이스의 상기 일면에 접합될 수 있다.
상기 이차 전지는, 상기 제2 돌출부들 중 상기 제2 케이스의 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제2 돌출부와 상기 제1 케이스의 일면 사이에 위치한 제2 절연 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 케이스의 상기 일면과 상기 제2 케이스의 상기 일면은, 상기 전극 적층체를 그 사이에 둔 채, 서로 반대편에 위치할 수 있다.
상기 제1 케이스의 상기 일면과 수직한 방향을 기준으로, 상기 제2 절연 부재는, 상기 제2 돌출부들 중 상기 제2 케이스의 상기 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제2 돌출부 전체를 커버할 수 있다.
상기 전지 케이스는, 상기 전극 적층체가 수납되는 내부 공간을 갖는 다면체 형태일 수 있다.
상기 전지 케이스는, 상기 전극 적층체가 수납되는 내부 공간을 갖는 육면체 형태일 수 있다.
상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스가 상기 절연 접합부로 인해 접합되어 상기 육면체의 상기 전지 케이스를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 상기 이차 전지를 복수로 포함하고, 상기 이차 전지들은 상기 전지 케이스끼리 접촉하여 전기적으로 연결될 수 있다.
어느 한 이차 전지의 상기 제1 케이스와 다른 한 이차 전지의 상기 제2 케이스가 접촉하여, 상기 이차 전지들 간의 전기적 직렬 연결이 이루어질 수 있다.
어느 한 이차 전지의 상기 제1 케이스와 다른 한 이차 전지의 상기 제1 케이스가 접촉하거나, 어느 한 이차 전지의 상기 제2 케이스와 다른 한 이차 전지의 상기 제2 케이스가 접촉하여, 상기 이차 전지들 간의 전기적 병렬 연결이 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지 케이스 내부에 전극 적층체를 배치하고, 전지 케이스와 전극 적층체를 전기적으로 연결함으로써, 전지 케이스 자체가 전극 단자로 기능할 수 있다. 따라서, 별도의 부재 없이, 이차 전지들을 전지 케이스끼리 맞닿도록 배치하는 형태를 통해 이차 전지들 간의 전기적 연결을 구현할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 이차 전지에 포함된 전극 적층체를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 이차 전지들이 배치된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라, 이차 전지들이 배치된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 이차 전지들이 배치된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 분해 사시도와 단면도이다.
도 10 및 도 11은 각각 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 분해 사시도와 단면도이다.
도 12는, 도 10 및 도 11에 해당하는 이차 전지가 복수로 배치된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 13은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 분해 사시도이다.
도 14는, 도 13에 해당하는 이차 전지가 복수로 배치된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 15는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 분해 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다. 도 2는 도 1의 이차 전지에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 이차 전지에 포함된 전극 적층체를 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 전극 적층체(200); 및 전극 적층체(200)를 내부에 수납하는 전지 케이스(600)를 포함한다. 전지 케이스(600)는 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620)를 포함하고, 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620)가 절연 접합부(630)에 의해 접합되어, 전극 적층체(200)가 수납된 전지 케이스(600)의 내부 공간이 밀봉된다. 즉, 서로 대응하는 제1 케이스(610)의 모서리들과 제2 케이스(620)의 모서리들이 절연 접합부(630)로 인해 접합되어 내부 공간이 밀봉된 전지 케이스(600)가 형성되고, 그 내부 공간에 전극 전층체(200)가 수납될 수 있다.
서로 접합되어 내부 공간을 갖는 전지 케이스(600)를 형성할 수 있다면, 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620)의 형태에 특별한 제한은 없다. 일례로, 제1 케이스(610)는, 일 면이 개방된 각형의 캔 형태일 수 있다. 이러한, 제1 케이스(610)의 내부 공간에 전극 적층체(200)가 수납될 수 있다. 한편, 일례로, 제2 케이스(620)는, 판상 형태일 수 있고, 제1 케이스(610)의 개방된 일 면을 덮도록 배치될 수 있다. 즉, 전극 적층체(200)의 4개의 측면들 및 하면은 제1 케이스(610)에 의해 커버될 수 있고, 전극 적층체(200)의 상면은 제2 케이스(620)에 의해 커버될 수 있다. 여기서 전극 적층체(200)의 4개의 측면들은 각각 도면 상 x축 방향, -x축 방향, y축 방향 및 -y축 방향의 면들을 가리키고, 전극 적층체(200)의 상면과 하면은 각각 도면 상 z축 방향 및 -z축 방향의 면들을 가리킨다. 이후 본 발명은 상기 기준에 따라 설명되나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
절연 접합부(630)는 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620) 간의 서로 대응하는 모서리들 사이에 위치할 수 있다. 일례로, 절연 접합부(630)는, 제1 케이스(610)의 상단 모서리 부분과 제2 케이스(620)의 네 변 사이에 위치할 수 있다. 절연 접합부(630)는, 전기적 절연성 및 접착성을 띄는 소재를 포함할 수 있다. 이러한 절연 접합부(630)는 제1 케이스(610) 및 제2 케이스(620)를 접합시키는 동시에, 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620) 간의 전기적 절연을 유지할 수 있다.
하나의 예시로서, 절연 접합부(630)는 절연 페이스트 코팅부일 수 있다. 보다 구체적으로 절연 접합부(630)는 제1 케이스(610)나 제2 케이스(620) 중 적어도 한 곳에 세라믹 페이스트를 코팅하고 이들을 서로 접착하여 형성된 세라믹 페이스트 코팅부일 수 있다. 즉, 절연 접합부(630)가 세라믹 페이스트를 포함할 수 있다. 일례로, 상기 세라믹 페이스트는 필러 및 바인더를 포함할 수 있다. 세라믹 소재의 필러에 바인더 등을 혼합하여 상기 세라믹 페이스트를 제조할 수 있다.
상기 필러는, 실리카(Silica), 알루미나(Alumina), 질화알루미늄(aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 멀라이트(Mullite), 클레이(Clay), 지르콘(Zircon), 마이카(mica) 및 산화마그네슘(Magnesium oxide)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 상기 바인더는, 규산 나트륨(Sodium silicate), 인산염(phosphate), 마그네슘 옥시황산염(Magnesium Oxysulfate) 및 인산알루미늄(Aluminum Phosphate)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적 소재들이며, 전기적 절연성 및 접착성을 갖는 세라믹 페이스트를 제조할 수 있다면, 그 소재에 특별한 제한은 없다.
다른 예시로써, 절연 접합부(630)는, 절연 용접부일 수 있다. 그 중에서도 절연 접합부(630)는 세라믹 용접부일 수 있다. 즉, 절연 접합부(630)는, 세라믹 용접 방법을 이용해 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620)를 접합시킨 부분일 수 있다. 본 발명의 절연 접합부(630)에는 통상의 세라믹 용접 방법이 적용될 수 있다. 세라믹 용접 방법의 하나의 예를 들면, 내화물 분말, 연료 분말 및 산화 기체가 용접이 필요한 부분에 투입되고, 상기 연료 분말이 연소되어 충분한 열이 생성된다. 이에 따라 상기 내화물 분말이 용융되거나 연화되어 응집 내화 물질이 용접 대상의 표면에 점착되는 과정이 이루어진다.
상기 내화물 분말은, 산화 칼슘, 실리카, 지르코니아, 마그네시아, 알루미나 및 크롬 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 분말을 포함할 수 있다. 상기 산화 기체의 경우, 산소가 이용될 수 있다.
상기 연료 분말은, 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 크롬 및 지르코늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 분말을 포함할 수 있다. 상기 연료 분말의 소재는, 연소 시 우수한 내화물질이 된다. 구체적으로, 알루미늄이나 지르코늄은 알루미나이나 지르코니아와 같은 양쪽성 산화물을 제공하고, 마그네슘이나 크롬은 마그네시아나 크롬 산화물과 같은 염기성 산화물을 제공한다. 연료 분말은 높은 내식성의 내화 물질 형성에 기여한다.
종합하면, 절연 접합부(630)를 매개로 제1 케이스(610) 및 제2 케이스(620)가 서로 접합됨과 동시에, 제1 케이스(610) 및 제2 케이스(620)는 절연 접합부(630)에 의해 서로 간의 전기적 연결이 차단된다.
한편, 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620) 간의 전기적 절연을 강화하기 위해 절연 스페이서(Spacer) 등이 추가로 배치될 수 있다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 전극 적층체(200)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
전극 적층체(200)는, 제1 전극(300), 제2 전극(400) 및 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 사이에 위치하는 분리막(500)을 포함한다. 구체적으로 분리막(500)을 사이에 두고 제1 전극(300)과 제2 전극(400)이 순차적으로 적층되어 전극 적층체(200)를 제조할 수 있다. 본 실시예에서의 전극 적층체(200)는, 제1 전극(300), 분리막(500) 및 제2 전극(400)이 일 방향을 따라 적층된 형태의 스택형 전극 조립체일 수 있다. 보다 구체적으로 전극 적층체(200)는, 제1 전극(300), 분리막(500), 제2 전극(400) 및 다른 분리막(500)이 반복되며 적층된 형태일 수 있다.
제1 전극(300)은, 제1 전극 집전체(310) 및 제1 전극 집전체(310)의 일면 또는 양면에 형성된 제1 전극 활물질층(320)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 전극 집전체(310)의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 제1 전극 활물질층(320)이 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 제1 전극 집전체(310)는 제1 방향(d1)으로 돌출된 제1 돌출부(310P)를 포함할 수 있다. 즉, 제1 전극 집전체(310) 중 전극 활물질이 도포되지 않고 노출되는 부분이 제1 방향(d1)으로 돌출되어 제1 돌출부(310P)가 마련될 수 있다.
제2 전극(400)은, 제2 전극 집전체(410) 및 제2 전극 집전체(410)의 일면 또는 양면에 형성된 제2 전극 활물질층(420)을 포함한다. 구체적으로, 제2 전극 집전체(410)의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 제2 전극 활물질층(420)이 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 제2 전극 집전체(410)는 제2 방향(d2)으로 돌출된 제2 돌출부(410P)를 포함할 수 있다. 즉, 제2 전극 집전체(410) 중 전극 활물질이 도포되지 않고 노출되는 부분이 제2 방향(d2)으로 돌출되어 제2 돌출부(410P)가 마련될 수 있다.
제1 방향(d1)과 제2 방향(d2)은 서로 일치하지 않는 방향으로, 일례로, 도 3에 도시된 바와 같이 서로 반대되는 방향일 수 있다.
한편, 제1 전극(300)과 제2 전극(400) 중 하나는 양극일 수 있고, 다른 하나는 음극일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극 집전체(310)와 제1 전극 활물질층(320)는 양극 집전체와 양극 활물질층일 수 있고, 제2 전극 집전체(410)와 제2 전극 활물질층(420)은 음극 집전체와 음극 활물질층일 수 있다.
이하에서는, 도 3 및 도 4 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 전극 적층체, 제1 케이스 및 제2 케이스 간의 연결 관계에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 3 및 도 4를 다시 참고하면, 제1 돌출부(310P)는 제1 케이스(610)의 일면에 접합되고, 제2 돌출부(410P)는 제2 케이스(620)의 일면에 접합된다. 특히, 도시된 바와 같이 제1 케이스(610)가 일 면이 개방된 각형의 캔 형태이고 제2 케이스(620)가 판상 형태일 경우, 제1 돌출부(310P)는 제1 케이스(610)의 하면부(610-L)와 접합될 수 있다.
제1 전극(300)과 제2 전극(400)은 각각 복수로 전극 적층체(200)에 포함될 수 있다. 즉, 전극 적층체(200)에서, 제1 전극(300)과 제2 전극(400)은 각각 복수로 적층될 수 있다. 일례로, 도 3 및 도 4에는 3개의 제1 전극(300)과 3개의 제2 전극(400)이 분리막(500)을 사이에 둔 채 차례로 적층된 모습이 도시되어 있다. 이 때, 제1 방향(d1)을 따라 돌출된 제1 돌출부(310P)들이 서로 접합될 수 있고, 제2 방향(d2)을 따라 돌출된 제2 돌출부(410P)들이 서로 접합될 수 있다.
접합된 제1 돌출부(310P)들은 최종적으로 제1 케이스(610)의 일면에 접합될 수 있다. 특히, 제1 돌출부(310P)들 중 제1 케이스(610)의 일면에 가장 가까이 위치한 제1 돌출부(310P)가 제1 케이스(610)의 일면에 접촉하여 접합될 수 있다. 도 4에는, 예시로써, 제1 돌출부(310P)들 중 제1 케이스(610)의 하면부(610-L)에 가장 가까이 위치한 제1 돌출부(310P)가 제1 케이스(610)의 하면부(610-L)에 접합된 모습이 도시되어 있다.
접합된 제2 돌출부(410P)들은 최종적으로 제2 케이스(620)의 일면에 접합될 수 있다. 특히, 제2 돌출부(410P)들 중 제2 케이스(620)의 일면에 가장 가까이 위치한 제2 돌출부(410P)가 제2 케이스(620)에 접촉하여 접합될 수 있다.
돌출부들 간의 접합이나 돌출부와 제1 또는 제2 케이스 간의 접합에 있어서, 양 구성 간의 전기적 연결이 가능하다면 상기 접합 방식에 특별한 제한은 없으나, 용접 접합이 이용되는 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 제1 돌출부(310P)와 제2 케이스(620) 사이에 위치하는 제1 절연 부재(710) 및 제2 돌출부(410P)와 제1 케이스(610) 사이에 위치하는 제2 절연 부재(720)를 더 포함할 수 있다. 제1 절연 부재(710) 및 제2 절연 부재(720)는 전기적 절연인 소재를 포함하는데, 일례로, 절연 테이프 또는 절연 페이스트 코팅층일 수 있다.
상기 절연 테이프는 전기적 절연인 통상의 테이프가 적용될 수 있다. 즉, 제2 케이스(620)의 일면에 절연 테이프가 부착되어 본 실시예에 따른 제1 절연 부재(710)가 마련될 수 있고, 제1 케이스(610)의 일면에 다른 절연 테이프가 부착되어 본 실시예에 따른 제2 절연 부재(720)가 마련될 수 있다.
다른 실시예로써, 상기 절연 페이스트 코팅층은 세라믹 페이스트를 코팅하여 형성된 세라믹 페이스트 코팅층일 수 있다. 상기 세라믹 페이스트는 필러 및 바인더를 포함할 수 있다. 세라믹 소재의 필러에 바인더 등을 혼합하여 상기 세라믹 페이스트를 제조할 수 있다. 상기 필러는, 실리카(Silica), 알루미나(Alumina), 질화알루미늄(aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 멀라이트(Mullite), 클레이(Clay), 지르콘(Zircon), 마이카(mica) 또는 산화마그네슘(Magnesium oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 바인더는, 규산 나트륨(Sodium silicate), 인산염(phosphate), 마그네슘 옥시황산염(Magnesium Oxysulfate) 또는 인산알루미늄(Aluminum Phosphate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 케이스(620)의 일면에 상기 세라믹 페이스트가 코팅되어 본 실시예에 따른 제1 절연 부재(710)가 마련될 수 있고, 제1 케이스(610)의 일면에도 상기 세라믹 페이스트가 코팅되어 본 실시예에 따른 제2 절연 부재(720)가 마련될 수 있다.
한편, 제1 절연 부재(710)는, 제1 돌출부(310P)들 중 제1 케이스(610)의 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제1 돌출부(310P)와 제2 케이스(620)의 일면 사이에 위치할 수 있다. 이때, 제1 케이스(610)의 상기 일면은 제1 돌출부(310P)들 중 하나가 접촉되어 접합되는 면이고, 제2 케이스(620)의 상기 일면은 제2 돌출부(410P)들 중 하나가 접촉되어 접합되는 면이다. 제1 케이스(610)의 상기 일면과 제2 케이스(620)의 상기 일면은, 전극 적층체(200)를 그 사이에 둔 채, 서로 반대편에 위치할 수 있다. 도 4에는 제1 케이스(610)의 상기 일면이 제1 케이스(610)의 하면부(610-L)인 것으로 도시되어 있다.
또한, 제2 케이스(620)의 상기 일면과 수직한 방향을 기준으로, 제1 절연 부재(710)는, 제1 돌출부(310P)들 중 제1 케이스(610)의 상기 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제1 돌출부(310P) 전체를 커버할 수 있다. 이러한 제1 절연 부재(710)에 의해, 제1 돌출부(310P)들 중 제1 케이스(610)의 상기 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제1 돌출부(310P)가 제2 케이스(620)와 접촉되는 것이 제한된다.
또한, 제2 절연 부재(720)는, 제2 돌출부(410P)들 중 제2 케이스(620)의 상기 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제2 돌출부(410P)와 제1 케이스(610)의 상기 일면 사이에 위치할 수 있다. 상술한 바 대로, 제1 케이스(610)의 상기 일면은 제1 돌출부(310P)들 중 하나가 접촉되어 접합되는 면이고, 제2 케이스(620)의 상기 일면은 제2 돌출부(410P)들 중 하나가 접촉되어 접합되는 면이다. 제1 케이스(610)의 상기 일면과 제2 케이스(620)의 상기 일면은, 전극 적층체(200)를 그 사이에 둔 채, 서로 반대편에 위치할 수 있다.
또한, 제1 케이스(610)의 일면과 수직한 방향을 기준으로, 제2 절연 부재(720)는, 제2 돌출부(410P)들 중 제2 케이스(620)로부터 가장 멀리 떨어진 제2 돌출부(410P) 전체를 커버할 수 있다. 이러한 제2 절연 부재(720)에 의해 제2 돌출부(410P)들 중 제2 케이스(620)로부터 가장 멀리 떨어진 제2 돌출부(410P)가 제1 케이스(610)와 접촉되는 것이 제한된다.
종합하면, 제1 돌출부(310P)들이 제1 케이스(610)와 연결되는 동시에 제2 케이스(620)와는 접촉이 제한된다. 또한, 제2 돌출부(410P)들은 제2 케이스(620)와 연결되는 동시에 제1 케이스(610)와는 접촉이 제한된다. 이에 따라, 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620)는 이차 전지(100)의 전극 단자로써 기능한다. 이를 위해 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620)는, 전기 전도성이 우수한 금속 소재를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 금속 소재에 특별한 제한은 없으나, 일례로, 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등이 적용될 수 있다.
예를 들어, 제1 전극(300)이 양극이고, 제2 전극(400)이 음극이라면, 제1 케이스(610)가 양극 단자로 기능하고, 제2 케이스(620)는 음극 단자로 기능한다.
본 실시예에 따르면, 제1 전극(300)과 제2 전극(400)을 적층하여 전극 적층체(200)를 형성한 후, 제1 돌출부(310P)들을 제1 케이스(610)에 접합하고, 제2 돌출부(410P)들을 제2 케이스(620)에 접합하여, 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620)를 바로 전극 단자로 사용할 수 있다. 제1 전극 집전체(310)나 제2 전극 집전체(410)에 대한 별도의 노칭 공정이나 전극탭 부착 공정이 없이, 전극 적층체(200)를 수납하고 돌출부(310P, 410P)들을 전지 케이스(600)의 각 부분에 접합하는 것 만으로 간단히 이차 전지(100)의 전극 단자를 마련할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 이차 전지들이 배치된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 5를 도 4와 함께 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(1000a)은, 복수의 이차 전지(100-1, 100-2, 100-3)를 포함하고, 이차 전지(100-1, 100-2, 100-3)들은 전지 케이스(600)끼리 접촉하여 전기적으로 연결된다. 즉, 제1 케이스와 제2 케이스는 이차 전지의 전극 단자로써 기능하기 때문에 이차 전지들은 전지 케이스끼리 접촉함으로써 전기적으로 연결될 수 있다.
일례로, 어느 하나의 이차 전지(100-1, 100-2)의 제1 케이스(610-1, 610-2)와 다른 이차 전지(100-2, 100-3)의 제2 케이스(620-2, 620-3)가 접촉하여, 이차 전지(100-1, 100-2, 100-3)들 간의 전기적 직렬 연결이 이루어질 수 있다.
구체적으로, 제1 이차 전지(100-1)의 제1 케이스(610-1)와 제2 이차 전지(100-2)의 제2 케이스(620-2)가 접촉하도록 배치될 수 있다. 또한, 제2 이차 전지(100-2)의 제1 케이스(610-2)와 제3 이차 전지(100-3)의 제2 케이스(620-3)가 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기와 같이 이차 전지(100-1, 100-2, 100-3)들을 케이스끼리 맞닿도록 배치하여, 이차 전지(100-1, 100-2, 100-3)들 사이의 전기적 직렬 연결을 구현할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 이차 전지는, 별도의 부재나 추가 공정 없이 케이스 간의 접촉 배치로 전기적 직렬 연결을 형성할 수 있다는 장점을 갖는다.
한편, 도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라, 이차 전지들이 배치된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(1000b)은, 복수의 이차 전지(100-1, 100-2)를 포함하고, 이차 전지(100-1, 100-2)들은 전지 케이스(600)끼리 접촉하여 전기적으로 연결된다.
이때, 어느 하나의 이차 전지(100-1)의 제1 케이스(610-1)와 다른 이차 전지(100-2)의 제1 케이스(610-2)가 접촉하거나, 어느 한 이차 전지의 제2 케이스와 다른 한 이차 전지의 제2 케이스가 접촉하여, 이차 전지(100-1, 100-2)들 간의 전기적 병렬 연결이 이루어질 수 있다.
구체적으로 도 6에는, 제1 이차 전지(100-1)의 제1 케이스(610-1)와 제2 이차 전지(100-2)의 제1 케이스(610-2)가 접촉하도록 배치된 모습이 나타나 있다. 추가적으로 다른 이차 전지가 전기적 병렬 연결을 위해 배치될 수 있음은 물론이다. 한편, 각 이차 전지의 제2 케이스끼리 접촉된 형태는 아래에서 다시 후술하도록 한다.
한편, 도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 이차 전지들이 배치된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(1000c)은, 복수의 이차 전지(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)를 포함하고, 이차 전지(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)들은 전지 케이스(600)끼리 접촉하여 전기적으로 연결된다.
이때, 제3 이차 전지(100-3)의 제1 케이스(610-3)와 제1 이차 전지(100-1)의 제2 케이스(620-1)가 접촉하여 전기적 직렬 연결이 이루어지고, 제4 이차 전지(100-4)의 제1 케이스(610-4)와 제2 이차 전지(100-2)의 제2 케이스(620-2)가 접촉하여 전기적 직렬 연결이 이루어질 수 있다.
동시에 제1 이차 전지(100-1)의 제1 케이스(610-1)와 제2 이차 전지(100-2)의 제1 케이스(610-2)가 접촉하여 전기적 병렬 연결이 이루어질 수 있고, 제3 이차 전지(100-3)의 제1 케이스(610-3)와 제4 이차 전지(100-4)의 제1 케이스(610-4)가 접촉하여 전기적 병렬 연결이 이루어질 수 있다.
이와 같이, 이차 전지(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)들의 배치 형태를 조절하여, 이차 전지(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)들 간의 전기적 직렬 연결과 전기적 병렬 연결이 혼합된 형태도 가능하다.
종합하면, 본 실시예들에 따른 전지 모듈(1000a, 1000b, 1000c)은, 이차 전지들 간의 배치 형태와 전지 케이스 간의 접촉 형태를 조절함으로써, 별도의 부재나 추가 공정 없이 이차 전지들 간의 전기적 직렬 연결, 병렬 연결 또는 그 혼합 형태를 쉽게 구현할 수 있다는 장점을 갖는다.
이하에서는, 본 발명의 이차 전지에 포함된 전지 케이스의 다양한 형태에 대해 설명하도록 한다.
도 2 내지 도 4를 다시 참고하면, 본 발명에서의 전지 케이스(600)는, 전극 적층체(200)가 수납되는 내부 공간을 갖는 다면체 형태일 수 있다. 특히, 전지 케이스(600)는 전극 적층체(200)가 수납되는 내부 공간을 갖는 육면체 형태일 수 있다. 구체적으로는, 제1 케이스(610)와 제2 케이스(620)가 절연 접합부(630)로 인해 접합되어 육면체의 전지 케이스(600)를 할 수 있다.
본 발명에서는, 전지 케이스(600)의 육면체 중 제1 케이스(610)가 갖는 면과 제2 케이스(620)가 갖는 면의 개수나 면적에 제한이 없고, 다양한 실시예가 적용될 수 있다. 예를 들어, 상술한 바 대로, 도 2 내지 도 4에 도시된 제1 케이스(610)는, 일 면이 개방된 각형의 캔 형태이고, 제2 케이스(620)는 판상 형태일 수 있다. 즉, 제1 케이스(610)가 육면체인 전지 케이스(600)의 면들 중 5개의 면을 형성하고, 제2 케이스(620)가 전지 케이스(600)의 나머지 한 면을 형성할 수 있다.
제1 케이스(610)가 갖는 면과 제2 케이스(620)가 갖는 면의 개수나 면적에 제한이 없기 때문에 이하에서는, 변형된 전지 케이스들에 대해 설명하도록 한다.
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 분해 사시도와 단면도이다. 구체적으로 도 9는, 도 8의 이차 전지(100a)가 조립된 이후 yz 평면을 따라 자른 단면을 나타낸다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지(100a)는, 전극 적층체(200) 및 전지 케이스(600a)를 포함한다. 제1 전극(300), 제2 전극(400) 및 분리막을 포함하는 전극 적층체(200)는 앞서 설명한 실시예에서의 전극 적층체와 동일 내지 유사한 구조가 적용될 수 있으며, 이에 대한 설명은 생략한다.
전지 케이스(600a)는 제1 케이스(610a)와 제2 케이스(620a)를 포함한다. 제1 케이스(610a)와 제2 케이스(620a)가 절연 접합부(630a)에 의해 접합되어, 전극 적층체(200)가 수납된 전지 케이스(600a)의 내부 공간이 밀봉된다.
본 실시예에서도, 전지 케이스(600a)는, 전극 적층체(200)가 수납되는 내부 공간을 갖는 다면체 형태일 수 있다. 특히, 전지 케이스(600a)는 전극 적층체(200)가 수납되는 내부 공간을 갖는 육면체 형태일 수 있다. 다만, 제1 케이스(610a)와 제2 케이스(620a) 모두 일 면이 개방된 각형의 캔 형태일 수 있다. 제1 케이스(610a)는 개방된 일면이 위를 향하는 반면, 제2 케이스(620a)는 제1 케이스(610a)와 동일한 형태이나 개방된 일면이 아래를 향하도록 위치할 수 있다. 제1 케이스(610a)와 제2 케이스(620a)의 대응 모서리에 절연 접합부(630a)가 마련되어 제1 케이스(610a)와 제2 케이스(620a)가 서로 접합될 수 있다. 높이 방향(z축과 평행한 방향)을 기준으로, 절연 접합부(630a)는 전지 케이스(600a)의 중간에 위치할 수 있다.
서로 접합된 제1 돌출부(310P)들은 제1 케이스(610a)의 일면에 접합될 수 있고, 서로 접합된 제2 돌출부(410P)들은 제2 케이스(620a)의 일면에 접합될 수 있다. 특히, 제1 돌출부(310P)들은 제1 케이스(610a)의 하면부(610a-L)에 접합될 수 있고, 제2 돌출부(410P)들은 제2 케이스(620a)의 상면부(620a-U)에 접합될 수 있다.
본 실시예의 경우, 각 전극 단자로 기능하는 제1 케이스(610a)와 제2 케이스(620a) 간의 경계가 전지 케이스(600a)의 높이의 중간에 있기 때문에, 이차 전지(100a)들 간의 측면 접촉을 통한 전기적 병렬 연결은 실제 적용이 어려울 수 있다. 대신, 상기 경계가 중간에 위치하므로, 제1 돌출부(310P)들이 다른 극성인 제2 케이스(620a)에 접촉하거나 제2 돌출부(410P)들이 다른 극성인 제1 케이스(610a)에 접촉할 위험이 적다. 즉, 내부 쇼트에서 보다 안정적일 수 있다.
도 10 및 도 11은 각각 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 분해 사시도와 단면도이다. 구체적으로 도 11은, 도 10의 이차 전지(100b)가 조립된 이후 yz 평면을 따라 자른 단면을 나타낸다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지(100b)는, 전극 적층체(200) 및 전지 케이스(600b)를 포함한다. 제1 전극(300), 제2 전극(400) 및 분리막을 포함하는 전극 적층체(200)는 앞서 설명한 실시예에서의 전극 적층체와 동일 내지 유사한 구조가 적용될 수 있으며, 이에 대한 설명은 생략한다.
전지 케이스(600b)는 제1 케이스(610b)와 제2 케이스(620b)를 포함한다. 제1 케이스(610b)와 제2 케이스(620b)가 절연 접합부(630b)에 의해 접합되어, 전극 적층체(200)가 수납된 전지 케이스(600b)의 내부 공간이 밀봉된다.
본 실시예에서도, 전지 케이스(600a)는, 전극 적층체(200)가 수납되는 내부 공간을 갖는 다면체 형태일 수 있다. 특히, 전지 케이스(600a)는 전극 적층체(200)가 수납되는 내부 공간을 갖는 육면체 형태일 수 있다.
이 때, 제1 케이스(610b)는, 하면부(610b-L)와 3개의 측면부(610b-S1, 610b-S2, 610b-S3)들을 포함할 수 있고, 제2 케이스(620b)는, 상면부(620b-U)와 1개의 측면부(620b-S1)를 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는, 제1 케이스(610b)가 전지 케이스(600b)의 면들 중 4개의 면을 형성하고, 제2 케이스(620b)가 전지 케이스(600b)의 나머지 2개의 면을 형성할 수 있다. 제1 케이스(610b)와 제2 케이스(620b)의 대응 모서리에 절연 접합부(630b)가 마련되어 제1 케이스(610b)와 제2 케이스(620b)가 서로 접합될 수 있다.
서로 접합된 제1 돌출부(310P)들은 제1 케이스(610b)의 일면에 접합될 수 있고, 서로 접합된 제2 돌출부(410P)들은 제2 케이스(620b)의 일면에 접합될 수 있다. 특히, 제1 돌출부(310P)들은 제1 케이스(610b)의 하면부(610b-L)에 접합될 수 있고, 제2 돌출부(410P)들은 제2 케이스(620b)의 상면부(620b-U)에 접합될 수 있다.
도 12는, 도 10 및 도 11에 해당하는 이차 전지가 복수로 배치된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 10 내지 도 12를 참고하면, 이차 전지(100b)들이 전지 케이스끼리 접촉되어, 전기적으로 연결될 수 있다. 일례로, 어느 한 이차 전지(100b)의 제2 케이스(620b)의 상면부(620b-U)와 다른 이차 전지(100b)의 제1 케이스(610b)의 하면부(610b-L)가 접촉되어 전기적 직렬 연결을 이룰 수 있다. 또한, 어느 한 이차 전지(100b)의 제2 케이스(620b)의 측면부(620b-S1)와 다른 이차 전지(100b)의 제1 케이스(610b)의 측면부(610b-S1)가 접촉되어 전기적 직렬 연결을 이룰 수 있다. 한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 경우에 따라 제2 케이스(620b)의 측면부(620b-S1)들끼리 접촉되거나 제1 케이스(610b)의 측면부(610b-S1, 610b-S2, 610b-S3)들 끼리 접촉되어 이차 전지들 간의 전기적 병렬 연결이 이루어지는 것도 가능하다.
도 12에 도시된 형태는 이차 전지(100b)들 간의 예시적 배치 형태이며, 제1 케이스(610b)와 제2 케이스(620b)가 형성된 영역을 활용하여, 필요에 따른 다양한 이차 전지(100b)들의 배치가 가능하다.
도 13은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 분해 사시도이다.
도 13을 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지(100c)는, 전극 적층체(200) 및 전지 케이스(600c)를 포함한다. 전극 적층체(200)는 앞서 설명한 실시예에서의 전극 적층체와 동일 내지 유사한 구조가 적용될 수 있으며, 이에 대한 설명은 생략한다.
전지 케이스(600c)는 제1 케이스(610c)와 제2 케이스(620c)를 포함한다. 제1 케이스(610c)와 제2 케이스(620c)가 절연 접합부(630c)에 의해 접합되어, 전극 적층체(200)가 수납된 전지 케이스(600c)의 내부 공간이 밀봉된다.
본 실시예에서도, 전지 케이스(600c)는, 전극 적층체(200)가 수납되는 내부 공간을 갖는 다면체 형태일 수 있다. 특히, 전지 케이스(600c)는 전극 적층체(200)가 수납되는 내부 공간을 갖는 육면체 형태일 수 있다.
이 때, 제1 케이스(610c)는, 하면부(610c-L)와 3개의 측면부(610c-S1, 610c-S2, 610c-S3)들을 포함할 수 있고, 제2 케이스(620c)는, 상면부(620c-U)와 1개의 측면부(620c-S1)를 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는, 제1 케이스(610c)가 전지 케이스(600b)의 면들 중 4개의 면을 형성하고, 제2 케이스(620c)가 전지 케이스(600c)의 나머지 2개의 면을 형성할 수 있다. 제1 케이스(610b)와 제2 케이스(620b)의 대응 모서리에 절연 접합부(630b)가 마련되어 제1 케이스(610b)와 제2 케이스(620b)가 서로 접합될 수 있다. 도 10 및 도 11에서 설명한 이차 전지(100b)와 비교해 제2 케이스(620c)의 측면부(620c-S1)가 형성된 위치에만 차이가 있다.
도 14는, 도 13에 해당하는 이차 전지가 복수로 배치된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 13 및 도 14를 참고하면, 이차 전지(100c)들이 전지 케이스끼리 접촉되어, 전기적으로 연결될 수 있다. 일례로, 어느 한 이차 전지(100c)의 제2 케이스(620c)의 상면부(620c-U)와 다른 이차 전지(100c)의 제1 케이스(610c)의 하면부(610c-L)가 접촉되어 전기적 직렬 연결을 이룰 수 있다. 또한, 어느 한 이차 전지(100c)의 제2 케이스(620c)의 측면부(620c-S1)와 다른 이차 전지(100c)의 제1 케이스(610c)의 측면부(610c-S3)가 접촉되어 전기적 직렬 연결을 이룰 수 있다. 한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 경우에 따라 제2 케이스(620c)의 측면부(620c-S1)들끼리 접촉되거나, 제1 케이스(610c)의 측면부(610c-S1, 610c-S2, 610c-S3)들 끼리 접촉되어 이차 전지들 간의 전기적 병렬 연결이 이루어지는 것도 가능하다.
도 14에 도시된 형태는 이차 전지(100c)들 간의 예시적 배치 형태이며, 제1 케이스(610c)와 제2 케이스(620c)가 형성된 영역을 활용하여, 필요에 따른 다양한 이차 전지(100c)들의 배치가 가능하다.
도 15는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 분해 사시도이다.
도 15를 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지(100d)는, 전극 적층체(200) 및 전지 케이스(600d)를 포함한다. 전지 케이스(600d)는 제1 케이스(610d)와 제2 케이스(620d)를 포함한다. 제1 케이스(610d)와 제2 케이스(620d)가 절연 접합부(630d)에 의해 접합되어, 전극 적층체(200)가 수납된 전지 케이스(600d)의 내부 공간이 밀봉된다.
본 실시예에서도, 전지 케이스(600d)는, 전극 적층체(200)가 수납되는 내부 공간을 갖는 다면체 형태일 수 있다. 특히, 전지 케이스(600d)는 전극 적층체(200)가 수납되는 내부 공간을 갖는 육면체 형태일 수 있다.
이 때, 제1 케이스(610d)는, 하면부(610d-L)와 2개의 측면부(610d-S1, 610d-S2)들을 포함할 수 있고, 제2 케이스(620d)는, 상면부(620d-U)와 2개의 측면부(620d-S1, 620d-S2)들을 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는, 제1 케이스(610d)가 전지 케이스(600d)의 면들 중 3개의 면을 형성하고, 제2 케이스(620d)가 전지 케이스(600d)의 나머지 3개의 면을 형성할 수 있다. 제1 케이스(610d)와 제2 케이스(620d)의 대응 모서리에 절연 접합부(630d)가 마련되어 제1 케이스(610d)와 제2 케이스(620d)가 서로 접합될 수 있다.
제1 케이스(610d)는, 하면부(610d-L)와 2개의 측면부(610d-S1, 610d-S2)를 통해 다른 이차 전지의 전지 케이스와 접촉할 수 있고, 제2 케이스(620d)도 상면부(620d-U)와 2개의 측면부(620d-S1, 620d-S2)를 통해 다른 이차 전지의 전지 케이스와 접촉할 수 있다.
도 5 내지 도 15에 나타난 본 발명의 여러 실시예들을 참고하여 종합하면, 본 발명의 이차 전지(100, 100a, 100b, 100c, 100d)가 복수로 모여 전지 모듈을 구성할 때, 전지 케이스에서의 제1 케이스와 제2 케이스의 구성 영역 및 면적 등이 상이한 다양한 이차 전지(100, 100a, 100b, 100c, 100d)들을 적용하여, 이차 전지(100, 100a, 100b, 100c, 100d)들의 배열 및 전기적 연결 형태를 쉽게 조절하고 변형할 수 있다. 즉, 전지 모듈의 내부 공간이 정형화되지 않고 제한적이더라도, 이차 전지들의 배치와 전기적 연결 형태를 이에 맞춰 쉽게 변형할 수 있다는 장점을 갖는다. 이는 전지 케이스의 제1 케이스와 제2 케이스가 이차 전지의 전극 단자로서 기능하고, 전지 케이스 간의 접촉으로 전기적 직렬 또는 병렬 연결을 이룰 수 있기 때문에 도출된 것이라 할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 이차 전지, 상기 전지 모듈 또는 상기 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100, 100a, 100b, 100c, 100d: 이차 전지
200: 전극 적층체
600, 600a, 600b, 600c, 600d: 전지 케이스
610, 610a, 610b, 610c, 610d: 제1 케이스
620, 620a, 620b, 620c, 620d: 제2 케이스
630, 630a, 630b, 630c, 630d: 절연 접합부
310P: 제1 돌출부
410P: 제2 돌출부
1000a, 1000b, 1000c: 전지 모듈

Claims (19)

  1. 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극 적층체; 및
    상기 전극 적층체를 내부에 수납하는 전지 케이스를 포함하고
    상기 전지 케이스는 제1 케이스 및 제2 케이스를 포함하며,
    상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스가 절연 접합부에 의해 접합되어 상기 전극 적층체가 수납된 상기 전지 케이스의 내부 공간이 밀봉되고,
    상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 제1 전극 활물질층을 포함하며,
    상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 제2 전극 활물질층을 포함하고,
    상기 제1 전극 집전체는 제1 방향으로 돌출된 제1 돌출부를 포함하며,
    상기 제2 전극 집전체는 제2 방향으로 돌출된 제2 돌출부를 포함하고
    상기 제1 돌출부가 상기 제1 케이스와 접합되고,
    상기 제2 돌출부는 상기 제2 케이스와 접합되는 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 절연 접합부는, 상기 제1 케이스 및 상기 제2 케이스를 접합시키는 동시에 상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스 간의 전기적 절연을 유지하는 이차 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스는, 금속 소재를 포함하는 이차 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 절연 접합부는, 절연 페이스트 코팅부 또는 절연 용접부인 이차 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 돌출부와 상기 제2 케이스 사이에 위치하는 제1 절연 부재 및 상기 제2 돌출부와 상기 제1 케이스 사이에 위치하는 제2 절연 부재를 더 포함하는 이차 전지.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 절연 부재 및 상기 제2 절연 부재는 절연 테이프 또는 절연 페이스트 코팅층인 이차 전지.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 각각 복수로 상기 전극 적층체에 포함되고,
    상기 제1 전극들의 제1 돌출부들이 서로 접합되고,
    상기 제2 전극들의 제2 돌출부들이 서로 접합되는 이차 전지.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 돌출부들 중 상기 제1 케이스의 일면에 가장 가까이 위치한 제1 돌출부가 상기 제1 케이스의 상기 일면에 접합되는 이차 전지.
  9. 제7항에서,
    상기 제1 돌출부들 중 상기 제1 케이스의 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제1 돌출부와 상기 제2 케이스의 일면 사이에 위치한 제1 절연 부재를 더 포함하고,
    상기 제1 케이스의 상기 일면과 상기 제2 케이스의 상기 일면은, 상기 전극 적층체를 그 사이에 둔 채, 서로 반대편에 위치하는 이차 전지.
  10. 제9항에서,
    상기 제2 케이스의 상기 일면과 수직한 방향을 기준으로, 상기 제1 절연 부재는, 상기 제1 돌출부들 중 상기 제1 케이스의 상기 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제1 돌출부 전체를 커버하는 이차 전지.
  11. 제7항에서,
    상기 제2 돌출부들 중 상기 제2 케이스의 일면에 가장 가까이 위치한 제2 돌출부가 상기 제2 케이스의 상기 일면에 접합되는 이차 전지.
  12. 제7항에서,
    상기 제2 돌출부들 중 상기 제2 케이스의 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제2 돌출부와 상기 제1 케이스의 일면 사이에 위치한 제2 절연 부재를 더 포함하고,
    상기 제2 케이스의 상기 일면과 상기 제2 케이스의 상기 일면은, 상기 전극 적층체를 그 사이에 둔 채, 서로 반대편에 위치하는 이차 전지.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 케이스의 상기 일면과 수직한 방향을 기준으로, 상기 제2 절연 부재는, 상기 제2 돌출부들 중 상기 제2 케이스의 상기 일면으로부터 가장 멀리 떨어진 제2 돌출부 전체를 커버하는 이차 전지.
  14. 제1항에서,
    상기 전지 케이스는, 상기 전극 적층체가 수납되는 내부 공간을 갖는 다면체 형태인 이차 전지.
  15. 제1항에서,
    상기 전지 케이스는, 상기 전극 적층체가 수납되는 내부 공간을 갖는 육면체 형태인 이차 전지.
  16. 제15항에서,
    상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스가 상기 절연 접합부로 인해 접합되어 상기 육면체의 상기 전지 케이스를 형성하는 이차 전지.
  17. 제1항에 따른 이차 전지를 복수로 포함하고,
    상기 이차 전지들은 상기 전지 케이스끼리 접촉하여 전기적으로 연결되는 전지 모듈.
  18. 제17항에서,
    어느 한 이차 전지의 상기 제1 케이스와 다른 한 이차 전지의 상기 제2 케이스가 접촉하여, 상기 이차 전지들 간의 전기적 직렬 연결이 이루어지는 전지 모듈.
  19. 제17항에서,
    어느 한 이차 전지의 상기 제1 케이스와 다른 한 이차 전지의 상기 제1 케이스가 접촉하거나, 어느 한 이차 전지의 상기 제2 케이스와 다른 한 이차 전지의 상기 제2 케이스가 접촉하여, 상기 이차 전지들 간의 전기적 병렬 연결이 이루어지는 전지 모듈.


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