KR20230115760A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20230115760A
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secondary battery
circuit board
electrode plate
protection circuit
seating area
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이호근
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명에서는 보호 회로 기판의 레이저 용접시 패턴 단락 발생을 방지하는 이차 전지가 개시된다.
일 예로서, 제 1 활물질이 도포된 다수의 제 1 극판, 제 2 활물질이 도포된 다수의 제 2 극판 및 상기 제 1 극판과 제 2 극판의 사이에 위치한 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 수용하는 케이스; 상기 전극 조립체의 제 1 극판 또는 제 2 극판에 각각 연결되어 상기 케이스의 외부로 돌출되는 리드탭; 상기 리드탭과 전기적으로 결합되는 보호 회로 기판을 포함하고, 상기 보호 회로 기판은 상기 리드탭이 안착되는 셀 안착 영역의 가장자리를 따라 형성된 공백 영역을 포함하는 이차 전지가 개시된다.

Description

이차 전지{Secondary Battery}
본 발명은 보호 회로 기판의 레이저 용접시 패턴 단락 발생을 방지하는 이차 전지에 관한 것이다.
통상적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차 전지는 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 전지들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 전지 모듈의 형태로 사용되기도 한다.
이차 전지가 휴대폰, 노트북 컴퓨터와 같은 소형 전자 장치의 전원으로 사용되는 것을 넘어서, 하이브리드 자동차와 같이 대형 운송 수단에 사용됨에 따라, 고출력, 고용량의 전지에 대한 수요가 급증하고 있다.
한편, 이차 전지의 경우 충방전 동작을 제어하기 위해, 배터리 셀에 보호 회로 기판이 결합되고 있으며, 배터리 셀과 보호 회로 기판 사이는 용접을 통해 결합됨이 일반적이다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명은 보호 회로 기판의 레이저 용접시 패턴 단락 발생을 방지하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 제 1 활물질이 도포된 다수의 제 1 극판, 제 2 활물질이 도포된 다수의 제 2 극판 및 상기 제 1 극판과 제 2 극판의 사이에 위치한 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 수용하는 케이스; 상기 전극 조립체의 제 1 극판 또는 제 2 극판에 각각 연결되어 상기 케이스의 외부로 돌출되는 리드탭; 상기 리드탭과 전기적으로 결합되는 보호 회로 기판을 포함하고, 상기 보호 회로 기판은 상기 리드탭이 안착되는 셀 안착 영역의 가장자리를 따라 형성된 공백 영역을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 공백 영역은 상기 셀 안착 영역이 형성된 패드에 대해 셀 안착 영역의 가장자리를 따라 패턴을 제거하여 형성될 수 있다.
그리고 상기 셀 안착 영역과 리드탭은 레이저를 통해 용접될 수 있다.
또한, 상기 셀 안착 영역의 폭은 2.3[mm] 내지 2.5[mm]로 구성될 수 있다.
또한, 상기 셀 안착 영역의 높이는 1.8[mm] 내지 2.0[mm]로 구성될 수 있다.
또한, 상기 공백 영역의 폭은 1.8[mm] 내지 2.0[mm]로 구성될 수 있다.
또한, 상기 공백 영역의 상면에는 절연층이 더 형성될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 보호 회로 기판에 배터리 셀의 리드탭이 용접되는 셀 안착 영역이 가장자리에 패턴을 비워 형성된 공백 영역을 형성함으로써, 레이저의 출력이 과도한 경우에도 셀 안착 영역 외부의 타영역과 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에서 배터리 셀과 보호 회로 기판이 결합되는 과정을 도시한 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 보호 회로 기판을 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2의 A 부분 확대도이다.
도 4는 도 3에서 보호 회로 기판의 도전성 패턴을 확대 도시한 것이다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 따른 전극 조립체에 대해 설명하기에 앞서, 일반적인 전극 조립체 구조에 대해 먼저 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다. 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에서 배터리 셀과 보호 회로 기판이 결합되는 과정을 도시한 분해사시도이다.
도 1a를 먼저 참조하면, 본 발명의 실시에에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체로부터 연장된 리드탭(110, 111), 전극 조립체를 내장하는 케이스(120)와 보호 회로 기판(130)을 포함할 수 있다.
먼저, 내장된 전극 조립체(미도시)는 기재의 양면에 제 1 활물질이 도포되어 형성되는 제 1 극판과, 세퍼레이터, 기재의 양면에 제 2 활물질이 도포되어 형성되는 제 2 극판이 순차적으로 스택된 구조를 가질 수 있다. 여기서 세퍼레이터는 제 1 극판과 제 2 극판의 사이에 모두 삽입되어 극판간 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 제 1 극판은 양극판, 제 2 극판은 음극판으로 구성될 수 있으나, 서로 극성을 바꾸는 것도 가능하다.
한편, 제 1 극판 및 제 2 극판의 일측 단부에는 각각 외부 전극 단자와 전기적으로 연결되기 위해 제 1 리드탭(110) 및 제 2 리드탭(111)이 각각 결합될 수 있다. 또한, 제 1 리드탭(110)과 제 2 리드탭(111)의 각각은 케이스(120)와 결합되는 부위에 대해 절연 테이프가 더 형성되는 것도 가능하다.
케이스(120)는 도시된 것과 같은 파우치의 형태일 수 있으며, 각형 전지 등에 사용되는 캔 타입의 케이스일 수도 있다. 이하에서는 편의를 위해, 파우치 타입으로서 설명하도록 한다.
케이스(120)는 절곡되는 영역을 중심으로 내부의 홈을 통해 전극 조립체(100)를 수용하는 제 1 영역과, 제 1 영역에 접하는 경계를 중심으로 접혀서 제 1 영역을 밀봉하는 제 2 영역으로 구성할 수 있다.
이 때, 제 1 영역의 홈의 깊이는 대략 전극 조립체의 두께에 대응되도록 형성될 수 있다. 따라서, 전극 조립체가 제 1 영역에 수용되면, 제 1 리드탭(110)과 제 2 리드탭(111)들은 제 1 영역의 경계를 통해 노출될 수 있다.
그리고 이 상태에서 제 2 영역이 접혀서, 제 2 영역은 제 1 영역을 밀봉하게 되고, 제 1 영역과 제 2 영역의 사이를 통해 제 1 리드탭(110)과 제 2 리드탭(111)만 연장되어 노출될 수 있다.
도 1a와 함께 도 1b를 참조하면, 보호 회로 기판(130)은 노출된 제 1 리드탭(110)과 제 2 리드탭(111)에 전기적으로 연결될 수 있다. 보호 회로 기판(130)의 표면에는 이러한 전기적 연결을 위한 전기적 패턴들이 형성될 수 있고, 제 1 리드탭(110) 및 제 2 리드탭(111)과 각각 레이저 용접을 통해 결합될 수 있다. 또한, 이러한 용접 과정에서 레이저 출력이 과하게 발생할 경우 보호 회로 기판(130)에 데미지가 가해지고, 이에 따라 패턴간 단락이 발생할 염려가 있어왔고, 본 발명에서는 후술할 바와 같이 패턴을 달리하여 이러한 단락을 방지할 수 있다.
또한, 보호 회로 기판(130)은 도 1b와 같은 상태에서 제 1 리드탭(110) 및 제 2 리드탭(111)에 용접된 이후, 상부를 향해 약 90도 접혀 올려져서 도 1a와 같이 케이스(120)의 전단에 위치될 수 있다. 이러한 보호 회로 기판(130)의 상부에는 별도로 양성 온도 소자(PTC)와 같은 회로 구성들이 더 결합될 수 있고, 배터리 셀(110)에 대해 외부와 충방전을 수행할 때 필요한 단자들이 더 결합되는 것도 가능하다.
이하에선 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 보호 회로 기판의 구성을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 보호 회로 기판을 도시한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 보호 회로 기판(130)은 기판 몸체(131)를 기준으로, 적어도 일측에 제 1 리드탭(110)과 제 2 리드탭(111)이 용접되는 제 1 도전성 패턴(132) 및 제 2 도전성 패턴(133)을 구비할 수 있다. 또한, 기판(130)의 도전성 패턴(132, 133)은 배선(134)을 통해 보호 회로 기판(130)의 내부에서 원하는 경로로 연결될 수 있다. 또한, 제 1 도전성 패턴(132)과 제 2 도전성 패턴(133)에 배터리 셀의 리드탭(110, 111)이 결합되는 영역에는 기판 몸체(131)의 측부 일부가 제거되어 형성된 홈(131a, 131b)이 더 형성될 수 있다. 이러한 홈(131a, 131b)을 통해 이후 리드탭(110, 111)이 제 1 도전성 패턴(132)과 제 2 도전성 패턴(133)에 각각 용접되거나, 그 이후 리드탭(110, 111)이 접힐 때 원활하게 작업이 이루어질 수 있다.
또한, 기판 몸체(131)의 타측에는 제 3 도전성 패턴(135)과 제 4 도전성 패턴(136)이 더 형성될 수 있다. 이러한 제 3 도전성 패턴(135)과 제 4 도전성 패턴(136)의 경우, 제 1 도전성 패턴(132) 및 제 2 도전성 패턴(133)과 대칭으로 형성될 수도 있다. 설계에 따라, 제 3 도전성 패턴(135)과 제 4 도전성 패턴(136)의 경우 배터리 셀이 다수개 결합되는 경우, 두 번째 배터리 셀의 리드탭이 연결되도록 구성될 수도 있고, PTC 소자 등이 결합되기 위한 목적으로 사용되는 것도 가능하다. 또한, 제 2 도전성 패턴(133) 내지 제 4 도전성 패턴(136)의 구성은 제 1 도전성 패턴(131)과 동일하게 구성될 수 있으므로, 이하에서는 제 1 도전성 패턴(131)을 위주로 설명하도록 한다.
이하에서는 제 1 도전성 패턴(131)의 구조를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 도 2의 A 부분 확대도이다.
제 1 도전성 패턴(131)은 도 3에 도시된 것과 같이, 패드(132)의 일부 영역에 대해 패턴이 비어서 형성된 공백 영역(132a)의 내측에 셀 안착 영역(132b)을 구비할 수 있다. 셀 안착 영역(132b)에는 이후 제 1 리드탭(110) 또는 제 2 리드탭(111)이 안착되고, 이후 레이저 용접이 수행될 수 있다. 다만, 셀 안착 영역(132b)의 가장자리를 따라 패턴이 비어서 형성된 공백 영역(132a)이 구비되어 있고, 공백 영역(132a)은 패드(132)이 타 영역들로부터 셀 안착 영역(132b)를 전기적 물리적으로 독립시킬 수 있다. 또한, 공백 영역(132a)의 상면에는 별도로 절연 테이프와 같은 절연층이 더 구비되는 것도 가능하다. 이 경우, 공백 영역(132a)에서의 전기적 독립에 도움이 될 수 있다.
이러한 공백 영역(132a)을 통해, 리드탭(110, 111)의 레이저 용접시 사용되는 레이저의 출력이 과하게 높아지는 경우에도 공백 영역(132a)의 존재로 인해, 인접한 패드(132)의 타 영역과 단락이 발생되지 않을 수 있다. 또한, 셀 안착 영역(132b)에는 패드(132)의 타 영역과 별도의 배선이 연결되어, 보호 회로 기판(130) 내에서 필요한 전기 경로를 형성할 수 있다. 이러한 배선은 다층 구조로 형성된 보호 회로 기판(130)의 수직 방향으로 형성된 비아를 통해 연결되기 때문에, 공백 영역(132a)과 배선은 기판(130) 내에서 서로 다른 층에서 구성되므로, 서로 간섭하지 않음은 물론이다.
또한, 공백 영역(132a)의 외부에는 다른 PTC 등 다른 소자들이 더 형성될 수 있는 주변 패턴 영역(132c)가 더 형성될 수 있다. 다만, 상술한 것처럼, 공백 영역(132a)을 통해, 주변 패턴 영역(132c)은 셀 안착 영역(132b)와 전기적 물리적으로 독립될 수 있다.
이하에서는 도전성 패턴(131)의 세부 수치에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 도 3에서 보호 회로 기판의 도전성 패턴을 확대 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 도전성 패턴(131)에서 셀 안착 영역(132b)의 폭(d1), 높이(d3), 공백 영역(132a)의 폭(d2)이 도시되어 있다.
여기서, 셀 안착 영역(132a)의 폭(d1)은 2.3[mm] 내지 2.5[mm]로 구성될 수 있다. 폭(d1)의 크기는 리드탭(110, 111)과 비교할 때 리드탭(110, 111)과 일치하거나 다소 마진을 두고 크게 설정될 수 있고, 리드탭(110, 111)을 안착한 상태에서 용이하게 용접이 이루어질 수 있다.
또한, 셀 안착 영역(132a)의 높이(d3)는 1.8[mm] 내지 2.0[mm]로 구성될 수 있다. 높이(d3)는 레이저 용접을 용이하게 수행하기 위한 것으로, 1.8[mm] 이상이면 작업자가 용접을 수행하기에 수월하고 용접에 따른 결합력을 유지할 수 있고, 2.0[mm] 이하인 경우 제약된 보호 회로 기판(130)의 면적 내에서 배선 패턴을 설정하기에 유리할 수 있다.
또한, 공백 영역(132a)의 폭(d2)은 0.2[mm] 내지 0.4[mm]로 구성될 수 있다. 공백 영역(132a)은 동일한 폭(d2)으로 셀 안착 영역(132a)의 가장자리에 형성될 수 있고, 0.2[mm] 이상인 경우 셀 안착 영역(132a)의 전기적 독립을 안정적으로 이룰 수 있다. 또한 폭(d2)이 0.4[mm] 이상인 경우, 패드(132) 내에서 셀 안착 영역(132a)의 필요 면적을 확보하기에 용이할 수 있다.
상기와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 보호 회로 기판(130)에 배터리 셀의 리드탭(110, 111)이 용접되는 셀 안착 영역(132b)이 가장자리에 패턴을 비워 형성된 공백 영역(132a)을 형성함으로써, 레이저의 출력이 과도한 경우에도 셀 안착 영역(132b) 외부의 타영역과 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
110, 111; 리드탭 120; 케이스
130; 보호 회로 기판 132; 패드
132a; 공백 영역 132b; 셀 안착 영역

Claims (7)

  1. 제 1 활물질이 도포된 다수의 제 1 극판, 제 2 활물질이 도포된 다수의 제 2 극판 및 상기 제 1 극판과 제 2 극판의 사이에 위치한 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 수용하는 케이스;
    상기 전극 조립체의 제 1 극판 또는 제 2 극판에 각각 연결되어 상기 케이스의 외부로 돌출되는 리드탭;
    상기 리드탭과 전기적으로 결합되는 보호 회로 기판을 포함하고,
    상기 보호 회로 기판은 상기 리드탭이 안착되는 셀 안착 영역의 가장자리를 따라 형성된 공백 영역을 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공백 영역은 상기 셀 안착 영역이 형성된 패드에 대해 셀 안착 영역의 가장자리를 따라 패턴을 제거하여 형성된 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 안착 영역과 리드탭은 레이저를 통해 용접되는 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 안착 영역의 폭은 2.3[mm] 내지 2.5[mm]로 구성된 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 안착 영역의 높이는 1.8[mm] 내지 2.0[mm]로 구성된 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공백 영역의 폭은 1.8[mm] 내지 2.0[mm]로 구성된 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공백 영역의 상면에는 절연층이 더 형성된 이차 전지.
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