WO2015046751A1 - 곡면 구조의 전지팩 - Google Patents

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battery pack
plate
battery cell
curved structure
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주재현
윤석진
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery that can be repeatedly charged and discharged. More specifically, it relates to a lithium secondary battery.
  • Lithium secondary batteries occupy an important position on the basis of development into such a ubiquitous society.
  • Unexamined Patent Publication No. 2012-0082808 discloses a curved battery.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2012-0082080 discloses a curved battery that is mounted inside an external electronic device, and does not disclose any problem with the curved battery.
  • the inventors of the present application the curved battery, the spring-back phenomenon occurs over time to return to the planar shape before bending, and the pouch-type battery that is weak to external impact, the curvature deformation caused by the external impact It was confirmed that there is a problem that occurs. These problems have a problem in that the mounting inside the electronic device is not easy by lowering the dimensional stability.
  • the present invention is to provide a battery pack having a curved shape to improve the dimensional stability that solves the problems of the prior art described above.
  • a battery cell having a curved surface structure; And a pack housing having a curved structure to form a battery cell accommodating space corresponding to the curved structure to prevent a spring back phenomenon and to prevent curvature deformation due to an external impact.
  • the battery cell The battery cell,
  • An electrode laminate in which a laminate surface of an anode, a cathode, and a separator includes a curved surface
  • Electrode leads connected to electrode tabs of the electrode stack.
  • the battery case may be made of a laminate sheet including a metal layer and a resin layer.
  • the laminate sheet may be an aluminum laminate sheet.
  • the battery case of the laminate sheet may include a lower case consisting of an accommodating portion of the recessed structure and an outer portion extending from the accommodating portion, and an upper case coupled to the lower case by heat fusion.
  • the upper case may include an accommodating part having a recessed structure and an outer part extending from the accommodating part. The upper case and the lower case may be separated from each other, or a portion of the upper case and the lower case may be connected to each other.
  • the battery pack according to an aspect of the present invention to form a battery cell accommodating space corresponding to the curved structure of the battery cell to prevent the spring back phenomenon, to prevent the deformation of the curvature due to external impact, having a mechanical rigidity Curved pack housing is adopted.
  • the pack housing is a protective member surrounding the outer circumferential surface of the battery case, and may provide mechanical rigidity against external impact.
  • the pack housing may be made of a metal or a high strength polymer resin.
  • the accommodating part of the battery case may correspond to the accommodating part of the completed pouch-type battery cell, and a region sealed in the opening may be formed at an outer portion of the accommodating part in the completed pouch-type battery cell.
  • region can be defined as an outer peripheral sealing part below.
  • At least one outer circumferential seal of the battery case may be bent toward an outer wall of the housing.
  • the one or more outer circumferential seals may be bent toward the outer wall of the housing, except for the outer circumferential seals where the electrode leads are exposed to the outside. More specifically, the electrode lead may be bent toward the non-bending outer circumferential seal.
  • the pack housing In a non-limiting embodiment, the pack housing,
  • An upper plate having a curved structure facing the upper surface of the battery cell
  • Side plates extending from the upper plate or the lower plate to face the side walls of the battery cell to form a storage space of the curved structure, the side plates including two or more plates having a curved structure; .
  • the side plates extending from the upper plate may extend to the lower plate, and the side plates extending from the lower plate may extend to the upper plate.
  • the side plates may include at least one plate having a non-curved structure, and at least one plate having the non-curved structure may have an opening for inserting a battery cell having a curved structure.
  • the curved battery cell may be coupled to the upper plate and the lower plate, and then slidingly coupled into the pack housing through the opening.
  • the side plates extending from the top plate may be connected or coupled to the bottom plate, and the side plates extending from the bottom plate may be connected or coupled to the top plate.
  • the upper plate is coupled to the lower plate, the curved battery cell can be stored in the pack housing.
  • connecting or engaging means that the side plate, which is separated from the upper plate or the lower plate, is joined using the fastening member
  • extension means that the side plate is used without the use of the fastening member, for example.
  • it can be understood to mean that it is formed integrally with the upper plate or the lower plate by injection molding.
  • the coupling of the upper plate and the lower plate is not particularly limited, and may be made by a bolt coupling structure, a coupling structure of a coupling groove and a coupling protrusion, and the like, which are known in the art.
  • the coupling structure of each plate is also not particularly limited, and may be made by a bolt coupling structure, a coupling structure of a coupling groove and a coupling protrusion, and the like, which are known in the art.
  • the pack housing In a non-limiting embodiment, the pack housing,
  • An upper plate having a curved structure facing the upper surface of the battery cell
  • Side plates connected to or coupled to an upper plate or a lower plate to face the side walls of the battery cell to form a storage space of the curved structure, the side plates including two or more plates having a curved structure; It may include.
  • the side plates are present independently of the top plate or the bottom plate, and can be coupled to the top plate and the bottom plate using fastening members.
  • the pack housing In a non-limiting embodiment, the pack housing,
  • the upper plate of the curved structure facing the upper surface of the battery cell and the lower side plates to extend from the upper plate to form a storage space of the curved structure, and to meet the side walls of the battery cell, the curved structure
  • a first housing comprising upper side plates including two or more side plates having a first side plate
  • the lower plate of the curved structure facing the lower surface of the battery cell and the upper side plates to extend from the lower plate to form a storage space of the curved structure, and face the side walls of the battery cell, the curved structure
  • a second housing comprising lower side plates including two or more side plates having a lower side plate; It may consist of.
  • the pack housing may be completed by combining the upper side plate of the first housing and the lower side plate of the second housing.
  • the top plate and / or bottom plate may be a window frame structure.
  • the battery pack can be manufactured in a light weight, and thus the energy density per mass is improved.
  • the battery pack may have a structure including at least one upper plate and / or a lower plate parallel to a side where the electrode lead of the battery cell protrudes, and a side adjacent to the side where the electrode lead of the battery cell protrudes. It may be a structure comprising one or more top plates and / or bottom plates in parallel. At this time, the position of the side of the battery cell is determined based on the battery cell when viewed from above.
  • the battery pack does not necessarily include only one type of upper plate and / or lower plate, and may include both upper and lower plates in different directions, and the upper and lower plates may cross each other. It may be a structure. In the case of having such a structure, the supporting force can be improved to more effectively suppress the spring back phenomenon of the battery cell, and the number of the upper plate and / or the lower plate can be determined according to the necessary supporting force.
  • the electrode stack includes one or more anodes, one or more cathodes, and one or more separators, and the anode, cathode, and separator are stacked such that a separator is interposed between the anode and the cathode.
  • the cathode and the separator may be a stacked electrode stack in which one end and the other end do not cross each other.
  • the electrode stack includes one or more anodes, one or more cathodes, one or more first separators and one or more second separators, wherein the anode, cathode, first separator and second separator, A first separator or a second separator is stacked between the cathodes, and the anode, the cathode, and the first separator do not cross each other at one end, and the second separator has no electrode tab formed thereon. It may be a stack & folding electrode stack surrounding the side of and one end and the other end cross each other.
  • the electrode stack includes one or more anodes, one or more cathodes, one or more separators, and the anode, cathode, and separator are stacked such that a separator is interposed between the anode and the cathode.
  • the positive electrode, the negative electrode, and the separator may be a wound or jelly-roll electrode laminate in which one end and the other end cross each other.
  • the electrode stack may include one or more improved electrodes in which a separator is laminated on one or both surfaces.
  • the improved electrode for example, may be implemented in a structure in which the separator is bonded to one surface of the positive electrode or the negative electrode.
  • the separator may be implemented in a structure that is bonded to both sides of the positive electrode or both sides of the negative electrode.
  • the positive electrode, the separator and the negative electrode may be implemented in a structure in which the separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • an embodiment in which a cathode, a separator, and a cathode are bonded to each other in a state where a separator is interposed between an anode and a cathode may be defined as an electrode group.
  • the electrode group may be referred to as an S-type electrode group when the polarities of the outermost electrodes are the same as or different from each other, and when the polarities of the outermost electrodes are the same, and when the polarities of the outermost electrode groups are different from each other, a D-type electrode It can be called a group. At least one of the outermost electrodes may be bonded to the separators in a state interposed between the separators.
  • the improved electrode may include any one of a positive electrode and a negative electrode and a separator, and may be implemented in a structure in which any one of the positive electrode and the negative electrode and the separator are bonded to each other. This can be defined as an electrode element.
  • the electrode device may have any one of a positive electrode and a negative electrode interposed between the separators, and either one of the positive electrode and the negative electrode may be bonded to the separator.
  • an improved electrode, a separator, an electrode group, an electrode element, and the like an electrode laminate having a structure in which a separator is interposed between an anode and a cathode is included in the scope of the present invention.
  • Preparing a binder solution by dispersing or dissolving the binder in a solvent
  • Preparing an electrode slurry by mixing the binder solution with an electrode active material and a conductive material;
  • the method may include compressing the electrode to a predetermined thickness.
  • the method may further include drying the rolled electrode.
  • the binder solution manufacturing process is a process of preparing a binder solution by dispersing or dissolving a binder in a solvent.
  • the binder may be all binders known in the art, and specifically, a fluororesin binder, styrene-butadiene, including polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) Rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, rubber-based binder including styrene-isoprene rubber, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, cellulose-based binder including regenerated cellulose, poly It may be a mixture or copolymer of one or two or more binders selected from the group consisting of alcohol-based binders, polyethylene, polyolefin-based binders including polypropylene, polyimide-based binders, polyester-based binders, mussel adhesives, and silane-based binders
  • the solvent may be selectively used according to the type of the binder.
  • an organic solvent such as isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, water, and the like may be used.
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • PVdF may be dispersed / dissolved in NMP (N-methyl pyrrolidone) to prepare a binder solution for the positive electrode
  • SBR Styrene-Butadiene Rubber
  • CMC Carboxy Methyl Cellulose
  • An electrode slurry may be prepared by mixing / dispersing an electrode active material and a conductive material in the binder solution.
  • the electrode slurry thus prepared may be transferred to a storage tank and stored until the coating process.
  • an electrode slurry can be stirred continuously.
  • the electrode active material may be a positive electrode active material or a negative electrode active material.
  • the negative electrode active material may be, for example, carbon such as hardly graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1-x Me y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me: Al Metal complex oxides such as B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, halogen, 0 ⁇ x ⁇ 1; 1 ⁇ y ⁇ 3; 1 ⁇ z ⁇ 8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , Metal oxides such as Bi 2 O 5 ; Conductive poly
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • Examples of the conductive material include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • Filler may be selectively added to the electrode slurry as necessary.
  • the filler is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • examples of the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, etc. can be used.
  • the process of coating the electrode slurry on the current collector is a process of coating the electrode slurry on the current collector in a predetermined pattern and a constant thickness by passing through a coater head.
  • the electrode slurry may be bonded to the current collector by pressing or lamination after molding on a separate substrate.
  • the current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, aluminum-cadmium alloy, and the like can be used.
  • the positive electrode current collector may form fine concavities and convexities on the surface to strengthen the bonding strength of the positive electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the positive electrode current collector may be a metal current collector including aluminum
  • the negative electrode current collector may be a metal current collector including copper.
  • the electrode current collector may be a metal foil, and may be an aluminum (Al) foil or a copper (Cu) foil.
  • the drying process is a process of removing the solvent and water in the slurry to dry the slurry coated on the metal current collector, in a specific embodiment, is dried within 1 day in a vacuum oven of 50 to 200 °C. After the drying process, it may further include a cooling process, the cooling process may be a slow cooling (slow cooling) to room temperature.
  • the electrode may be compressed into a desired thickness by passing it between two hot-rolled rolls. This process is called a rolling process.
  • the preheating process is a process of preheating the electrode before it is introduced into the roll in order to increase the compression effect of the electrode.
  • the electrode after the rolling process is completed as described above may be dried within a day in a vacuum oven at 50 to 200 °C as a range satisfying the temperature of the melting point or more of the binder.
  • the rolled electrode may be cut to a constant length and then dried. After the drying process, the cooling process may further include.
  • the separator an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 ⁇ m ⁇ m, thickness is generally 5 ⁇ 300 ⁇ m.
  • olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheet or nonwoven fabric made of glass fiber or polyethylene; Kraft paper or the like is used.
  • Typical examples currently on the market include Celgard series (Celgard R 2400, 2300 (manufactured by Hoechest Celanese Corp.), polypropylene separator (manufactured by Ube Industries Ltd. or Pall RAI), and polyethylene series (Tonen or Entek).
  • a nonaqueous electrolyte containing a lithium salt, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.
  • said non-aqueous electrolyte N-methyl- 2-pyrrolidinone, a propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, for example , Gamma-butylo lactone, 1,2-dimethoxy ethane, 1,2-diethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolon, 4-methyl-1,3-dioxene, diethyl ether, formamide, dimethylformamide, dioxolon, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimeth
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymers containing ionic dissociating groups and the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 has a nitride, halides, sulfates, such as Li, such as S-SiS 2 can be used.
  • the lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiSCN, LiC (CF 3 SO 2) 3, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, 4 phenyl lithium borate, imide and the like can be used.
  • LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiSCN, LiC (CF 3 SO 2) 3, (
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride and the like may be added. .
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and in order to improve high temperature storage characteristics, a carbon dioxide gas may be further included, and fluoro-ethylene carbonate), propene sultone (PRS), and fluoro-propylene carbonate (FPC).
  • the battery cell may be a lithium ion polymer battery, a lithium ion battery or a lithium polymer battery.
  • Known structures and components of lithium ion batteries, lithium ion polymer batteries, and lithium polymer batteries are incorporated herein.
  • One aspect of the present invention can also provide a battery pack and a device using the battery pack as a power source.
  • the device may be selected from the group consisting of a notebook, a mobile phone, a PDP, a PMP, an MP3 player, a digital still camera (DSC), a DVR, a smart phone, a GPS system, and a camcorder.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a curved battery cell according to a non-limiting embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a pack housing according to a non-limiting embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a battery pack according to a non-limiting embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a side view of the battery pack of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of a pack housing according to still another embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view of a pack housing according to a non-limiting embodiment of the present invention schematically Is shown.
  • the battery cell 100 is completed by sealing an opening in a state in which an electrolyte and an electrode stack are accommodated in an accommodating part 150 of a pouch type battery case made of a laminate sheet.
  • the three outer seals 131, 132, 133, 134 except for the outer seal 134 where the electrode leads 111, 112 are not exposed, It is bent toward the side surface 140.
  • the electrode leads 111 and 112 are bent toward the non-bending outer circumferential seal 134.
  • the pack housing 200 may include the upper plates 211, 212 and 213 forming the window frame structure, the lower plate 221 forming the window frame structure, the upper plates 211, 212 and 213 and the lower plate ( It consists of four side plates 231, 232, 233, 234 extending from 221 or connected to top plate 211, 212, 213 or bottom plate 221.
  • the side plates 231 and 232 have a curved surface corresponding to the curved structure of the accommodating part 150 of the battery cell 100.
  • Side plates 233 and 234 are flat plates.
  • An opening for inserting the battery cell may be formed in the side plate 234.
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery pack in which the battery cell of FIG. 1 is mounted in the pack housing of FIG. 2, and a side view of the battery pack of FIG. 3 is schematically illustrated in FIG. 4.
  • a spring back phenomenon occurs in the curved battery cell 100 to return to the planar battery cell before bending, along the dotted arrow direction.
  • the pack housing 200 has a curved battery cell storage space formed of curved side plates 231 and 232 and flat plates 233 and 234 corresponding to the curved structure of the battery cell 100.
  • the springback phenomenon of the battery cell 100 mounted therein can be suppressed.
  • the solid arrows are exaggerated to explain the effect of the spring back phenomenon caused by the length of the dashed arrow to be suppressed by the pack housing, and in fact, the use of the pack housing, It will be understood that the spring back does not occur.
  • FIG. 5 shows a pack housing including both top and bottom plates in different directions in accordance with a non-limiting embodiment of the invention.
  • the pack housing 200 includes six upper plates 211, 212, 213, 214, 215, 216 and five lower plates 221, 222, 223, 224, 225. have. Specifically, the upper plates 211, 212, 213, 214, and 215 parallel to the side where the electrode lead of the battery cell protrudes and the upper plate parallel to the side adjacent to the side where the electrode lead of the battery cell protrudes ( 216 is crossing.
  • the lower plates 221, 222, 223, 224, and 225 have the lower plates 221, 222, 223, and 224 parallel to the side where the electrode leads protrude, and the side where the electrode leads protrude.
  • the spring force of the battery cell is improved.
  • the white phenomenon can be suppressed more effectively.

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Abstract

본 발명의 일측면에 따른 전지팩은, 곡면(curved surface) 구조의 전지셀; 및 상기 곡면 구조에 부합하는 전지셀 수납 공간을 형성하여 스프링 백(spring back) 현상을 방지하고 외부 충격에 의한 곡률 변형을 방지하는 곡면 구조의 팩 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 것이다.

Description

곡면 구조의 전지팩
본 발명은, 반복적인 충방전이 가능한 이차전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 리튬 이차전지에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 '유비쿼터스 사회'로 발전되고 있다. 이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다.
최근에는 전자 디바이스의 디자인 자체가 수요자의 제품 선택에 있어서 매우 중요한 요소로 작용하고, 소비자의 취향에 따라 전자 디바이스가 점점 소형화, 박형화되어 가고 있는 추세이다. 이에 따라, 전자 디바이스의 내부 공간의 불필요한 낭비를 최소화하기 위해서, 리튬 이차전지 또한, 소형화, 박형화가 요구되고, 리튬 이차전지의 형상도 전자 디바이스의 형상에 따라 다양하게 구현될 필요가 있다. 최근, 플렉서블(flexible) 전지를 포함하여 휘어진 형상의 전지에 대한 수요가 높아지고 있다.
이와 관련하여, 공개특허공보 제2012-0082808호에는, 휘어진 형상의 전지가 개시되어 있다. 그러나, 공개특허공보 제2012-0082080호는, 외부 전자 디바이스의 내부에 장착되는 곡면 구조의 전지를 개시하고 있을 뿐, 휘어진 형상의 전지가 가진 문제점에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다.
본 출원의 발명자들은, 휘어진 형상의 전지는, 만곡 이전의 평면 형상으로 돌아가려는 경시성 스프링 백(spring back) 현상이 발생하고, 더욱이 외부 충격에 약한 파우치형 전지는, 외부 충격으로 인한 곡률 변형이 발생하는 문제점이 있음을 확인하였다. 이러한 문제점들은, 치수 안정성을 저하시킴으로써, 전자 디바이스 내부에의 장착이 용이하지 않은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결한 치수 안정성을 향상시킨 휘어진 형상의 전지팩을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전지팩은,
곡면(curved surface) 구조의 전지셀; 및 상기 곡면 구조에 부합하는 전지셀 수납 공간을 형성하여 스프링 백(spring back) 현상을 방지하고 외부 충격에 의한 곡률 변형을 방지하는 곡면 구조의 팩 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전지셀은,
전해질;
양극, 음극 및 분리막의 적층면이 곡면(curved surface)을 포함하는 전극 적층체;
상기 전극 적층체의 전극 탭들과 연결되는 전극 리드들; 및
상기 곡면에 부합하는 곡면이 형성되어 있는 수납부에 상기 전해질과 전극 적층체를 내장하고, 상기 전극 리드들이 외부로 노출된 상태에서 개구부가 밀봉되어 있는 전지 케이스;를 포함하는 파우치형 전지셀일 수 있다.
상기 전지 케이스는, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있을 수 있다. 구체적으로, 상기 라미네이트 시트는 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있다. 상기 라미네이트 시트의 전지 케이스는, 함몰 구조의 수납부와 상기 수납부로부터 연장되어 있는 외곽부로 이루어진 하부 케이스와 상기 하부 케이스와 열융착에 의해 결합하는 상부 케이스로 이루어져 있을 수 있다. 경우에 따라서, 상기 상부 케이스는, 함몰 구조의 수납부와 상기 수납부로부터 연장되어 있는 외곽부로 이루어져 있을 수 있다. 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스는, 서로 분리되어 있을 수도 있고, 상부 케이스와 하부 케이스의 일부가 서로 연결되어 있을 수 있다.
상기 라미네이트 시트의 전지 케이스는, 금속 캔 구조의 전지 케이스에 비해서 형상 자유도가 우수한 반면에, 외부 충격에 대한 기계적 강성이 취약하고, 스프링 백 현상이 쉽게 발생할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 측면에 따른 전지팩은, 전지셀의 곡면 구조에 부합하는 전지셀 수납공간을 형성하여 스프링 백 현상을 방지하고, 외부 충격에 의한 곡률 변형을 방지하기 위해서, 기계적 강성을 가진 곡면 구조의 팩 하우징을 채택하였다. 상기 팩 하우징은, 전지 케이스의 외주면을 감싸는 보호부재로서, 외부 충격에 대한 기계적 강성을 부여할 수 있다. 상기 팩 하우징은, 금속 또는 고강도 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
상기 전지 케이스의 수납부는, 완성된 파우치형 전지셀의 수납부에 대응하고, 개구부를 밀봉한 영역은, 완성된 파우치형 전지셀에서 상기 수납부의 외곽에 형성되어 있을 수 있다. 상기 밀봉 영역을, 이하에서는, 외주 밀봉부로 정의할 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 상기 전지 케이스에서 하나 이상의 외주 밀봉부는 수납부의 외측벽을 향해 절곡되어 있을 수 있다. 구체적으로, 전극 리드가 외부로 노출되어 있는 외주 밀봉부를 제외한, 하나 이상의 외주 밀봉부가 수납부의 외측벽을 향해 절곡되어 있을 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 전극 리드는 비 절곡 외주 밀봉부를 향해 절곡되어 있을 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 상기 팩 하우징은,
전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트;
전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트; 및
전지셀의 측벽들과 대면하면서 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상기 상부 플레이트 또는 하부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들로서, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 플레이트들을 포함하고 있는 측면 플레이트들;을 포함할 수 있다.
상기에서, 상부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들은, 하부 플레이트로 연장되어 있을 수 있고, 상기 하부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들은, 상부 플레이트로 연장되어 있을 수 있다. 이 경우, 상기 측면 플레이트들은 비곡면 구조를 가진 플레이트를 하나 이상 포함하고 있고, 비곡면 구조를 가진 적어도 하나의 플레이트에는 곡면 구조의 전지셀의 삽입을 위한 개구가 형성되어 있을 수 있다. 이 경우, 상기 곡면 구조의 전지셀은 상부 플레이트와 하부 플레이트를 결합한 후, 상기 개구를 통해 팩 하우징 내로 슬라이딩 결합될 수 있다.
또한, 상부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들은, 하부 플레이트에 연결 또는 결합될 수 있고, 상기 하부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들은, 상부 플레이트에 연결 또는 결합될 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 하부 플레이트 내에 상기 곡면 구조의 전지셀을 장착한 후, 상부 플레이트를 하부 플레이트에 결합시킴으로써, 곡면 구조의 전지셀이 팩 하우징 내부에 수납될 수 있다.
상기에서, 용어 "연결 또는 결합"은, 상부 플레이트 또는 하부 플레이트와 분리되어 있는 측면 플레이트가 체결부재를 사용하여 결합됨을 의미하고, 용어 "연장"은, 측면 플레이트가 체결부재의 사용없이, 예를 들어, 사출 성형으로 상부 플레이트 또는 하부 플레이트와 일체로 형성되어 있는 것을 의미하는 것으로 이해할 수 있다.
상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트의 결합은, 특별히 제한되는 것은 아니고, 당업계에 공지되어 있는 볼트 체결구조, 결합홈과 결합돌기의 체결구조 등에 의해서 이루어질 수 있다. 이하에서, 각각의 플레이트들의 결합구조 또한, 특별히 제한되는 것은 아니고, 당업계에 공지되어 있는 볼트 체결구조, 결합홈과 결합돌기의 체결구조 등에 의해서 이루어질 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 상기 팩 하우징은,
전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트;
전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트; 및
곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상부 플레이트 또는 하부 플레이트에 연결 또는 결합되고 전지셀의 측벽들과 대면하고 있는 측면 플레이트들로서, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 플레이트들을 포함하고 있는 측면 플레이트들; 을 포함할 수 있다. 이 때, 측면 플레이트들은, 상부 플레이트 또는 하부 플레이트와 독립적으로 존재하고, 체결 부재를 사용하여 상부 플레이트와 하부 플레이트에 결합할 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 상기 팩 하우징은,
전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트와 상기 상부 플레이트로부터 연장되어 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 하기 하부 측면 플레이트들과 결합하고, 전지셀의 측벽들과 대면하고 있으며, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 측면 플레이트들을 포함하고 있는 상부 측면 플레이트들을 포함하는 제 1 하우징; 및
전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트와 상기 하부 플레이트로부터 연장되어 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상기 상부 측면 플레이트들과 결합하고, 전지셀의 측벽들과 대면하고 있으며, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 측면 플레이트들을 포함하고 있는 하부 측면 플레이트들을 포함하는 제 2 하우징; 으로 구성되어 있을 수 있다. 이 때, 상기 팩 하우징은, 상기 제 1 하우징의 상부 측면 플레이트와 상기 제 2 하우징의 하부 측면 플레이트의 결합으로 완성할 수 있다.
상기 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트는 윈도우 프레임(window frame) 구조물일수 있다. 상부 플레이트와 하부 플레이트가 윈도우 프레임 구조물로 형성되어 있는 경우에는, 경량의 전지팩을 제작할 수 있으므로, 질량당 에너지 밀도가 향상되는 장점이 있다.
상기 전지팩은 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변과 평행한 하나 이상의 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트를 포함하는 구조일 수 있고, 또한, 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변에 인접한 변과 평행한 하나 이상의 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트를 포함하는 구조일 수 있다. 이때, 상기 전지셀의 변의 위치는 전지셀을 위에서 봤을 때를 기준으로 결정된다.
상기 전지팩은 반드시 한 종류의 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트만을 포함할 필요는 없고, 서로 다른 방향의 상부 플레이트들 및 하부 플레이트들을 모두 포함할 수 있으며, 이러한 상부 플레이트들 및 하부 플레이트들은 서로 교차하는 구조일 수 있다. 이러한 구조를 갖는 경우 지지력이 향상되어 전지셀의 스프링 백 현상을 더욱 효과적으로 억제 할 수 있으며, 필요한 지지력에 따라 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트의 개수를 결정할 수 있다.
비제한적인 예에서, 상기 전극 적층체는, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극 및 하나 이상의 분리막을 포함하고, 양극, 음극 및 분리막은, 양극과 음극의 사이에 분리막이 개재되도록 적층되어 있으며, 상기 양극, 음극 및 분리막은, 각각의 일단과 타단이 서로 교차하지 않는 스택(stack)형 전극 적층체일 수 있다.
비제한적인 예에서, 상기 전극 적층체는, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 하나 이상의 제 1 분리막 및 하나 이상의 제 2 분리막을 포함하고, 양극, 음극, 제 1 분리막 및 제 2 분리막은, 양극과 음극의 사이에 제 1 분리막 또는 제 2 분리막이 개재되도록 적층되어 있으며, 상기 양극, 음극 및 제 1 분리막은 각각의 일단과 타단이 서로 교차하지 않고, 상기 제 2 분리막은 전극 탭이 형성되지 않은 전극의 측면을 감싸고 일단과 타단이 서로 교차하는 스택 & 폴딩형 전극 적층체일 수 있다.
비제한적인 예에서, 상기 전극 적층체는, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 하나 이상의 분리막을 포함하고, 양극, 음극, 및 분리막은, 양극과 음극의 사이에 분리막이 개재되도록 적층되어 있으며, 상기 양극, 음극 및 분리막은 각각의 일단과 타단이 서로 교차하는 권취형 또는 젤리-롤형 전극 적층체일 수 있다.
한편, 상기 전극 적층체는, 일면 또는 양면에 분리막이 접합(laminate)되어 있는 개량된 전극을 하나 이상 포함하고 있을 수 있다. 상기 개량된 전극은, 예를 들어, 분리막이 양극 또는 음극의 일면에, 접합되어 있는 구조로 구현될 수 있다. 또한, 분리막이 양극의 양면 또는 음극의 양면에, 접합되어 있는 구조로 구현될 수 있다. 또한, 양극과 음극의 사이에 분리막이 개재된 상태에서 양극, 분리막 및 음극이 서로 접합되어 있는 구조로 구현될 수 있다. 본 명세서에서, 양극과 음극의 사이에 분리막이 개재된 상태에서 양극, 분리막 및 음극이 서로 접합되어 있는 구현예를 전극군으로 정의할 수 있다.
상기 전극군은 최외측 전극들의 극성이 서로 동일하거나 상이할 수 있고, 최외측 전극들의 극성이 동일한 경우, S형 전극군이라 칭할 수 있고, 최외측 전극군들의 극성이 서로 상이한 경우, D형 전극군이라 칭할 수 있다. 상기 최외측 전극들 중 하나 이상은 분리막들 사이에 개재된 상태로 분리막들과 접합되어 있을 수 있다.
또한, 상기 개량된 전극은, 양극 및 음극 중 어느 하나와 분리막을 포함하고, 양극 및 음극 중 어느 하나와 분리막이 서로 접합되어 있는 구조로 구현될 수 있다. 이를 전극소자로 정의할 수 있다. 상기 전극소자는 양극 및 음극 중 어느 하나가 분리막들 사이에 개재되고, 양극 및 음극 중 어느 하나가 분리막과 접합되어 있을 수 있다.
상기 전극, 개량된 전극, 분리막, 전극군, 전극소자 등의 조합으로서, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극 적층체는, 본 발명의 범위에 포함된다.
상기 양극 또는 음극의 제조방법은,
바인더를 용매에 분산 또는 용해시켜 바인더 용액을 제조하는 과정;
상기 바인더 용액과 전극 활물질 및 도전재를 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 과정;
상기 전극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 과정;
전극을 건조하는 과정; 및
전극을 일정한 두께로 압축하는 과정을 포함할 수 있다.
경우에 따라서는, 압연한 전극을 건조하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 바인더 용액 제조 과정은, 바인더를 용매에 분산 또는 용해시켜 바인더 용액을 제조하는 과정이다. 상기 바인더는, 당해 업계에서 공지된 모든 바인더들일 수 있고, 구체적으로는, 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함하는 불소 수지계 바인더, 스티렌-부타디엔 고무, 아크릴로니트릴-부티디엔 고무, 스티렌-이소프렌 고무를 포함하는 고무계 바인더, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈를 포함하는 셀룰로오스계 바인더, 폴리 알코올계 바인더, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌를 포함하는 폴리 올레핀계 바인더, 폴리 이미드계 바인더, 폴리 에스테르계 바인더, 홍합 접착제, 실란계 바인더로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 2 종 이상의 바인더들의 혼합물이거나 공중합체일 수 있다.
상기 용매는, 바인더의 종류에 따라 선택적으로 사용될 수 있고, 예를 들어, 이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등의 유기 용매와 물 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체적인 실시예로서, PVdF를 NMP(N-methyl pyrrolidone)에 분산/용해시켜 양극용 바인더 용액을 제조할 수도 있고, SBR(Styrene-Butadiene Rubber)/CMC(Carboxy Methyl Cellulose)를 물에 분산/용해시켜 음극용 바인더 용액을 제조할 수도 있다.
전극 활물질 및 도전재를 상기 바인더 용액에 혼합/분산시켜서 전극 슬러리를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극 슬러리는, 저장 탱크로 이송하여 코팅 과정 이전까지 보관할 수 있다. 상기 저장 탱크 내에서는, 전극 슬러리가 굳는 것을 방지하기 위하여, 계속하여 전극 슬러리를 교반할 수 있다.
상기 전극 활물질은, 양극 활물질 또는 음극 활물질일 수 있다.
구체적으로, 상기 양극 활물질은, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMeyOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 더 포함할 수 있다.
상기 도전재는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 전극 슬러리에는, 필요에 따라 충진제 등이 선택적으로 추가될 수 있다. 상기 충진제는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질 등이 사용될 수 있다.
상기 전극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 과정은, 전극 슬러리를 코터(coater) 헤드를 통과시켜 정해진 패턴 및 일정한 두께로 집전체 상에 코팅하는 과정이다. 상기 전극 슬러리를 집전체 상에 코팅하는 방법은, 전극 슬리러를 집전체 위에 분배시킨 후 닥터 블레이드(doctor blade) 등을 사용하여 균일하게 분산시키는 방법, 다이 캐스팅(die casting), 콤마 코팅(comma coating), 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법 등을 들 수 있다. 또한, 별도의 기재(substrate) 위에 성형한 후 프레싱 또는 라미네이션 방법에 의해 전극 슬러리를 집전체와 접합시킬 수도 있다.
상기 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체는, 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 구체적으로, 양극 집전체는, 알루미늄을 포함하는 금속 집전체일 수 있고, 음극 집전체는, 구리를 포함하는 금속 집전체일 수 있다. 상기 전극 집전체는 금속 호일일 수 있고, 알루미늄(Al) 호일 또는 구리(Cu) 호일일 수 있다.
상기 건조 공정은, 금속 집전체에 코팅된 슬러리를 건조하기 위하여 슬러리 내의 용매 및 수분을 제거하는 과정으로, 구체적인 실시예에서, 50 내지 200℃의 진공 오븐에서 1 일 이내로 건조한다. 상기 건조 과정 이후에는, 냉각 과정을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각 과정은 실온까지 서냉(slow cooling)하는 것일 수 있다.
코팅 과정이 끝난 전극의 용량 밀도를 높이고 집전체와 활물질들 간의 접착성을 증가시키기 위해서, 고온 가열된 2개의 롤 사이로 전극을 통과시켜 원하는 두께로 압축할 수 있다. 이 과정을 압연과정이라 한다.
상기 전극을 고온 가열된 2개의 롤 사이로 통과시키기 전에, 상기 전극은 예열될 수 있다. 상기 예열 과정은, 전극의 압축 효과를 높이기 위해서 롤로 투입되기 전에 전극을 예열하는 과정이다.
상기와 같이 압연 과정이 완료된 전극은, 바인더의 융점 이상의 온도를 만족하는 범위로서 50 내지 200℃의 진공 오븐에서 1일 이내로 건조할 수 있다. 압연된 전극은 일정한 길이로 절단된 후 건조될 수도 있다. 상기 건조 과정 이후에는, 냉각 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 분리막은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다.
이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포; 크라프트지 등이 사용된다. 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(CelgardR 2400, 2300(Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다.
상기 전해질은, 리튬 염을 함유하고 있는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. 상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(fluoro-ethylene carbonate), PRS(propene sultone), FPC(fluoro-propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.
상기 전지셀은, 리튬 이온 폴리머 전지 또는 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지일 수 있다. 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지의 공지의 구조 및 구성요소는 본 명세서에 합체된다.
본 발명의 일 측면은 또한, 상기한 전지팩을 및 상기 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공할 수 있다. 상기 디바이스는 노트북, 휴대폰, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템, 및 캠코더로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
도 1은, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 휘어진 형상의 전지셀의 모식적인 사시도이다;
도 2는, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 팩 하우징의 모식적인 사시도이다;
도 3은, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 전지팩의 모식적인 사시도이다;
도 4는, 도 3의 전지팩의 측면도이다;
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 팩 하우징의 모식적인 사시도이다.
이하, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 휘어진 형상의 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 팩 하우징의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 전지셀(100)은, 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지 케이스의 수납부(150)에 전해질과 전극 적층체를 수납한 상태에서 개구부를 밀봉함으로써 완성된다. 4개의 외주 밀봉부들(131, 132, 133, 134) 중에서, 전극 리드들(111, 112)가 노출되지 않은 외주 밀봉부(134)를 제외한, 3개의 외주 밀봉부들(131, 132, 133)은 측면(140)을 향해서 절곡되어 있다. 전극 리드들(111, 112)는 비 절곡 외주 밀봉부(134)를 향해 절곡되어 있다.
팩 하우징(200)은, 윈도우 프레임 구조물을 형성하는 상부 플레이트들(211, 212, 213), 윈도우 프레임 구조물을 형성하는 하부 플레이트(221), 상부 플레이트들(211, 212, 213)과 하부 플레이트(221)로부터 연장되거나, 상부 플레이트(211, 212, 213) 또는 하부 플레이트(221)에 연결되어 있는 4개의 측면 플레이트들(231, 232, 233, 234)로 이루어져 있다. 측면 플레이트들(231, 232)는 전지셀(100)의 수납부(150)의 곡면 구조에 부합하는 곡면을 가진다. 측면 플레이트들(233, 234)는 평면 플레이트이다. 측면 플레이트(234)에는 전지셀의 삽입을 위한 개구가 형성될 수 있다.
도 3에는 도 1의 전지셀이 도 2의 팩 하우징 내에 장착된 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는, 도 3의 전지팩의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 휘어진 형상의 전지셀(100)에는, 점선 화살표 방향을 따라서, 휘어지기 이전의 평면상 전지셀로 복귀하려는 스프링 백 현상이 발생한다. 그러나, 팩 하우징(200)은 전지셀(100)의 곡면 구조에 부합하는 곡면 측면 플레이트들(231, 232)과 평면 플레이트들(233, 234)로 이루어진 곡면 구조의 전지셀 수납 공간이 형성되어 있으므로, 내부에 장착되어진 전지셀(100)의 스프링 백 현상을 억제할 수 있다. 도 3 및 도 4에서, 실선 화살표는 점선 화살표의 길이만큼의 크기로 발생하는 스프링 백 현상이 팩 하우징에 의해서 억제되는 효과를 비교 설명하기 위해서 과장되게 표현한 것으로서, 실제로는, 팩 하우징의 사용으로, 스프링 백 현상이 발생하지 않는 것으로 이해해야할 것이다.
도 5에는 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 서로 다른 방향의 상부 플레이트들 및 하부 플레이트들을 모두 포함하는 팩 하우징이 도시되어 있다.
도 5를 참고하면, 팩 하우징(200)은 6개의 상부 플레이트들(211, 212, 213, 214, 215, 216)과 5개의 하부 플레이트들(221, 222, 223, 224, 225)을 포함하고 있다. 구체적으로, 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변과 평행한 상부 플레이트들(211, 212, 213, 214, 215)과 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변에 인접한 변과 평행한 상부 플레이트(216)가 교차하고 있다.
하부 플레이트들(221, 222, 223, 224, 225)도 이와 유사하게, 전극리드가 돌출되어 있는 변과 평행한 하부 플레이트들(221, 222, 223, 224)과 전극리드가 돌출되어 있는 변에 인접한 변과 평행한 하부 플레이트(225)가 서로 교차하고 있다.
이처럼 다른 방향의 상부 플레이트들(211, 212, 213, 214, 215, 216)과 하부 플레이트들(221, 222, 223, 224, 225)이 교차하는 구조를 갖는 경우 지지력이 향상되어 전지셀의 스프링 백 현상을 더욱 효과적으로 억제 할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 치수 안정성이 향상된 휘어진 형상의 전지팩을 제공할 수 있는 장점이 있다.

Claims (20)

  1. 곡면(curved surface) 구조의 전지셀; 및
    상기 곡면 구조에 부합하는 전지셀 수납 공간을 형성하여 스프링 백(spring back) 현상을 방지하고 외부 충격에 의한 곡률 변형을 방지하는 곡면 구조의 팩 하우징;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은,
    전해질;
    양극, 음극 및 분리막의 적층면이 곡면(curved surface)을 포함하는 전극 적층체;
    상기 전극 적층체의 전극 탭들과 연결되는 전극 리드들; 및
    상기 곡면에 부합하는 곡면이 형성되어 있는 수납부에 상기 전해질과 전극 적층체를 내장하고, 상기 전극 리드들이 외부로 노출된 상태에서 개구부가 밀봉되어 있는 전지 케이스;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지 케이스에서 하나 이상의 외주 밀봉부가 수납부의 외측벽을 향해 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 2 항에 있어서, 전극 리드가 외부로 노출되어 있는 외주 밀봉부를 제외한, 하나 이상의 외주 밀봉부가 수납부의 외측벽을 향해 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전극 리드는 비 절곡 외주 밀봉부를 향해 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 전지 케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 하우징은,
    전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트;
    전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트; 및
    전지셀의 측벽들과 대면하면서 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상기 상부 플레이트 또는 하부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들로서, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 플레이트들을 포함하고 있는 측면 플레이트들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트는 윈도우 프레임(window frame) 구조물인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전지팩은 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변과 평행한 하나 이상의 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 전지팩은 전지셀의 전극리드가 돌출되어 있는 변에 인접한 변과 평행한 하나 이상의 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 상부 플레이트 또는 하부 플레이트로부터 연장되어 있는 측면 플레이트들은, 각각 하부 플레이트 또는 상부 플레이트로 연장되어 있는 것으로 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 측면 플레이트들은 비곡면 구조를 가진 플레이트를 하나 이상 포함하고 있고, 비곡면 구조를 가진 적어도 하나의 플레이트에는 곡면 구조의 전지셀의 삽입을 위한 개구가 형성되어 있으며, 전지셀은 상기 개구를 통해 팩 하우징 내로 슬라이딩 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 하우징은,
    전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트;
    전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트; 및
    곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상부 플레이트 또는 하부 플레이트에 연결 또는 결합되고 전지셀의 측벽들과 대면하고 있는 측면 플레이트들로서, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 플레이트들을 포함하고 있는 측면 플레이트들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트는 윈도우 프레임 구조물인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 하우징은,
    전지셀의 상면과 대면하고 있는 곡면 구조의 상부 플레이트와 상기 상부 플레이트로부터 연장되어 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 하기 하부 측면 플레이트들과 결합하고, 전지셀의 측벽들과 대면하고 있으며, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 측면 플레이트들을 포함하고 있는 상부 측면 플레이트들을 포함하는 제 1 하우징; 및
    전지셀의 하면과 대면하고 있는 곡면 구조의 하부 플레이트와 상기 하부 플레이트로부터 연장되어 곡면 구조의 수납 공간을 형성하도록 상기 상부 측면 플레이트들과 결합하고, 전지셀의 측벽들과 대면하고 있으며, 곡면 구조를 가진 둘 이상의 측면 플레이트들을 포함하고 있는 하부 측면 플레이트들을 포함하는 제 2 하우징;
    으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 상부 플레이트 및/또는 하부 플레이트는 윈도우 프레임 구조물인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 하우징은, 금속 또는 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 노트북, 휴대폰, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템, 및 캠코더로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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