WO2015122594A1 - 주름 방지용 부재를 포함하는 전지셀 - Google Patents

주름 방지용 부재를 포함하는 전지셀 Download PDF

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WO2015122594A1
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electrode assembly
case
cell
wrinkle
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윤성필
이진수
성주환
김성민
강중구
김주빈
임혜진
우승희
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell comprising a member for preventing wrinkles, wherein at least a portion of an inner surface of a cell case facing the outermost electrodes of the electrode assembly or at least a portion of an outer surface of the electrode assembly may be wrinkled upon deformation of the cell case.
  • lithium secondary batteries such as lithium ion batteries, lithium ion polymer batteries, etc., which have advantages such as output stability.
  • secondary batteries are classified according to the structure of the electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure.
  • a jelly having a structure in which long sheet-shaped anodes and cathodes are wound with a separator interposed therebetween -Roll (electrode) electrode assembly, a stack (stacked type) electrode assembly in which a plurality of positive and negative electrodes cut in units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator, and the positive and negative electrodes of a predetermined unit are interposed through a separator
  • a stack / foldable electrode assembly having a structure in which bi-cell or full cells stacked in a state are wound with a separation film.
  • a pouch-type battery having a structure in which a stack type or a stack / fold type electrode assembly is incorporated into a pouch type battery case of an aluminum laminate sheet has attracted much attention due to its low manufacturing cost, small weight, and easy shape deformation. Its usage is also gradually increasing.
  • FIG. 1 and 2 schematically show a general structure of a conventional representative pouch type secondary battery as an exploded perspective view.
  • the pouch type secondary battery 10 includes two stacked electrode assemblies 20 having a plurality of electrode tabs 21 and 22 protruding therefrom, and two electrode tabs 21 and 22 respectively connected to the electrode tabs 21 and 22. It comprises a battery case 40 having a structure for accommodating and sealing the electrode lead (30, 31) and the stacked electrode assembly 20 so that a part of the electrode lead (30, 31) is exposed to the outside.
  • the battery case 40 includes a lower case 42 including a recess 41 having a concave shape in which the stacked electrode assembly 20 can be seated, and a stacked electrode assembly 20 as a cover of the lower case 42.
  • the upper case 43 is sealed.
  • the upper case 43 and the lower case 42 are heat-sealed in a state where the stacked electrode assembly 20 is embedded, so that the upper sealing portion 44, the side sealing portions 45 and 46, and the lower sealing portion 47 are formed. ).
  • FIG. 1 the upper case 43 and the lower case 42 are shown as separate members, respectively, but as shown in FIG. 2, a hinged structure in which one end portion is integrated and continuous is also possible.
  • FIG. 1 and 2 illustrate a pouch-type battery cell having a structure in which electrode terminals having electrode structures connected to electrode leads are formed at one end, but electrode terminals are formed at one end and the other end, respectively.
  • the pouch-type battery cell and the like can also be produced in the same manner as above.
  • Figure 1 and Figure 2 but showing a pouch-type battery cell using a stacked electrode assembly, even when using a wound or jelly-roll type electrode assembly can be prepared in the same manner as above.
  • a pouch-type battery cell is generally manufactured in a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the design of the device may not only be in the shape of a cuboid, but may also be a bendable shape.
  • the side surface may be curved to improve the grip, and in the case of a flexible display, it may be bent or bent and manufactured in various forms.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the electrode assembly is embedded in the cell case with the electrolyte impregnated,
  • the electrode assembly and the cell case each have a variable that can be modified according to the shape of the device on which the battery cell is mounted,
  • At least a part of the inner surface of the cell case facing the outermost electrodes of the electrode assembly is characterized in that the anti-wrinkle member is added to prevent wrinkles when the cell case is deformed.
  • the cell case may have a curved shape by the anti-wrinkle member added to the inner surface of the cell case.
  • the anti-wrinkle member may be made of a network structure, in detail, may have a structure in which a plurality of fibers forming a woven or non-woven fabric, wherein, the wrinkles added to the inside of the battery cell
  • the prevention member may have an uneven curved shape on the surface of the cell case.
  • the inventors of the present application in the case of adding a wrinkle preventing member of the network structure in which a plurality of fibers are meshed with each other in at least a portion of the inner surface of the cell case of the battery cell, during the manufacturing process of the battery cell, The fibers are pressed against the inner surface of the cell case according to the regular or irregularly arranged shape, so that an uneven curved shape is formed on the surface of the cell case, and the stress of the cell case generated by the deformation of the battery cell is passed between the valleys of the curved shapes. By inducing release (release), it was confirmed that effectively minimize the generation of wrinkles of the cell case.
  • the present invention minimizes the occurrence of unintentional wrinkles of the cell case, thereby effectively preventing the metal layer exposure or the electrolyte leakage caused by the damage of the cell case, thereby greatly increasing the safety of the battery. .
  • the shape of the network structure may be, for example, a honeycomb structure, a lattice structure, or a rhombic structure in a planar shape, but is not limited thereto.
  • the thickness of the network structure may be 100 nanometers or more to 100 micrometers or less.
  • the thickness of the line is less than 100 nanometers, it is difficult to form a bent shape of an appropriate size to prevent wrinkles in the cell case, and it is difficult to exert sufficient tensile strength to support the surface of the cell case, so that it is not wrinkled even in small deformations. May be damaged, and if it exceeds 100 micrometers, the thickness of the anti-wrinkling member may be excessively increased to increase the volume of the battery cell.
  • the anti-wrinkle member of the present invention may be a thin plate-shaped member that can minimize the increase in the volume of the battery cell, for example, may be a sheet-like member.
  • the anti-wrinkling member may be formed of a porous structure in which a plurality of pores are perforated in the sheet member so that a bent shape may be formed on the surface of the cell case.
  • the size may be 0.1 millimeter to 1 millimeter, and the spacing of the pores may be 300% to 1000% of the pore diameter.
  • the material of the anti-wrinkle member is not limited as long as the material has an electrical insulating property, easy to mold in various forms, in one specific example, the anti-wrinkle member may be made of a polymer material, the polymer material
  • the polymer material may be polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyethylene-terephthalate (PET), polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), silicone resin, natural or synthetic rubber, and the like.
  • the anti-wrinkling member may be a metal material coated with an insulating material
  • the metal material may be, for example, aluminum, copper, iron, nickel, silver, and the like
  • the insulating material may include:
  • it may be a polyolefin resin, a fluororesin, a silicone resin, a rubber resin, or the like.
  • the added form of the anti-wrinkle member of the present invention can be various, in detail, when the anti-wrinkle member is added to at least a portion of the inner surface of the cell case, to effectively prevent wrinkles of the cell case, the cell It may be attached in close contact with the inner surface of the case, more specifically, it may be attached in the form of heat-sealed or bonded, the material of the adhesive for bonding the anti-wrinkling member, unsaturated polyester-based material, poly Although polyacrylate type materials, such as ester acrylate, epoxy acrylate, and urethane acrylate, or silicone type material etc. are mentioned, It is not limited only to these.
  • the anti-wrinkle member is attached to the inner surface of the portion where the deformation of the cell case is caused by heat fusion or adhesion, so that the anti-wrinkle member is integrated with the inner surface of the cell case, thereby providing a cell case. Since it can be supported so as not to be distorted, wrinkles of the cell case can be effectively prevented.
  • the addition position of the anti-wrinkle member is not limited, but is preferably formed in the bent portion with a lot of wrinkles, in detail, the anti-wrinkle member of the present invention is the uppermost edge of the electrode assembly
  • the upper inner surface of the cell case facing the outer electrode and the lower inner surface of the cell case facing the lowermost outer electrode of the electrode assembly may be added, respectively.
  • the battery cell when the battery cell is applied to a device having a structure in which both ends are bent together in the same direction on the vertical section in the axial direction to form a curved surface, stress may be concentrated in the center of the battery cell.
  • the anti-wrinkle member may be added to an inner surface portion of the cell case corresponding to a vertical axis passing through the center of the electrode assembly.
  • the anti-wrinkle member the center is located on a vertical axis passing through the center of the electrode assembly, it can be added to the inner surface portion of the cell case in the size of 20% to 100% based on the total area of the electrode assembly. .
  • the anti-wrinkling member of the present invention may be formed in a thin thickness to minimize the volume of the battery cell, and in detail, may be 0.1 micrometer to 150 micrometers.
  • the thickness of the anti-wrinkle member is less than 0.1 micrometer, it is difficult to form a bend that can prevent wrinkles, and when it exceeds 150 micrometers, the material is used more than necessary, which is not only economical, but also the member.
  • An electrode assembly including a structure in which the anodes and the cathodes are stacked in a state where a separator is interposed therein is embedded in a cell case in a state of being impregnated with an electrolyte solution,
  • the electrode assembly and the cell case each have a variable that can be modified according to the shape of the device on which the battery cell is mounted,
  • At least a part of the outer surface of the electrode assembly is characterized in that the anti-wrinkle member is added to prevent wrinkles when the cell case is deformed.
  • the cell case may have a curved shape by the anti-wrinkle member added to the outer surface of the electrode assembly.
  • the anti-wrinkle member may be made of a network structure, in detail, may have a structure in which a plurality of fibers forming a woven or non-woven fabric, wherein, the wrinkles added to the inside of the battery cell
  • the prevention member may have an uneven curved shape on the surface of the cell case.
  • the inventors of the present application when at least part of the outer surface of the electrode assembly of the battery cell to add a plurality of fibers of the anti-wrinkle member of the network structure woven in a mesh shape, a plurality of anti-wrinkle members in the manufacturing process of the battery cell
  • the fibers are pressed against the inner surface of the cell case according to the regular or irregularly arranged shape, so that an uneven curved shape is formed on the surface of the cell case, and the stress of the cell case generated by the deformation of the battery cell is passed between the valleys of the curved shapes.
  • release release
  • the present invention minimizes the occurrence of unintentional wrinkles of the cell case, thereby effectively preventing the metal layer exposure or the electrolyte leakage caused by the damage of the cell case, thereby greatly increasing the safety of the battery. .
  • the shape of the network structure may be, for example, a honeycomb structure, a lattice structure, or a rhombic structure in a planar shape, but is not limited thereto.
  • the thickness of the network structure may be 100 nanometers or more to 100 micrometers or less.
  • the thickness of the line is less than 100 nanometers, it is difficult to form a bent shape of an appropriate size to prevent wrinkles in the cell case, and it is difficult to exert sufficient tensile strength to support the surface of the cell case, so that it is not wrinkled even in small deformations. May be damaged, and if it exceeds 100 micrometers, the thickness of the anti-wrinkling member may be excessively increased to increase the volume of the battery cell.
  • the anti-wrinkle member of the present invention may be a thin plate-shaped member that can minimize the increase in the volume of the battery cell, for example, may be a sheet-like member.
  • the anti-wrinkling member may be formed of a porous structure in which a plurality of pores are perforated in the sheet member so that a bent shape may be formed on the surface of the cell case.
  • the size may be 0.1 millimeter to 1 millimeter, and the spacing of the pores may be 300% to 1000% of the pore diameter.
  • the material of the anti-wrinkle member is not limited as long as the material has an electrical insulating property, easy to mold in various forms, in one specific example, the anti-wrinkle member may be made of a polymer material, the polymer material
  • the polymer material may be polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyethylene-terephthalate (PET), polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), silicone resin, natural or synthetic rubber, and the like.
  • the anti-wrinkling member may be a metal material coated with an insulating material
  • the metal material may be, for example, aluminum, copper, iron, nickel, silver, and the like
  • the insulating material may include:
  • it may be a polyolefin resin, a fluororesin, a silicone resin, a rubber resin, or the like.
  • the anti-wrinkle member when added to at least a part of the outer surface of the electrode assembly, the anti-wrinkle member may be added in a form attached to the outer surface of the electrode assembly, in detail into the network structure.
  • the mixture of the electrode assembly may be partially introduced to integrate with the electrode assembly.
  • the adhesive for preventing the wrinkles
  • the material of the adhesive include unsaturated polyester-based materials, polyacrylate-based materials such as polyester acrylate, epoxy acrylate, urethane acrylate, and silicone-based materials, but are not limited thereto.
  • the anti-wrinkle member is attached to the outer surface of the electrode assembly in such a manner as to be thermally fused or adhered to the outer surface of the electrode assembly so that the anti-wrinkle member is integrated with the outer surface of the electrode assembly to support the cell case from being distorted. As a result, wrinkles of the cell case can be effectively prevented.
  • the addition position of the anti-wrinkle member is not limited, but is preferably formed in the bent portion with a lot of wrinkles, in detail, the anti-wrinkle member of the present invention, the anti-wrinkle member is an electrode When added to at least a portion of the outer surface of the assembly, it may be added to the uppermost outermost electrode of the electrode assembly facing the upper inner surface of the cell case and the lowermost outermost electrode of the electrode assembly facing the lower inner surface of the cell case, respectively.
  • the anti-wrinkling member may be added to the central portion of the outer surface of the electrode assembly.
  • the anti-wrinkle member is, when the anti-wrinkle member is added to at least a portion of the outer surface of the electrode assembly, the center thereof is located on a vertical axis passing through the center of the electrode assembly, based on the total area of the electrode assembly 20% to 100% in size may be added to the outer surface portion of the electrode assembly.
  • the anti-wrinkling member of the present invention may be formed in a thin thickness to minimize the volume of the battery cell, and in detail, may be 0.1 micrometer to 150 micrometers.
  • the thickness of the anti-wrinkle member is less than 0.1 micrometer, it is difficult to form a bend that can prevent wrinkles, and when it exceeds 150 micrometers, the material is used more than necessary, which is not only economical, but also the member.
  • the cell case of the present invention may be a pouch-type case consisting of a laminate sheet containing a resin layer and a metal layer with the flexible characteristics of a battery that can be easily mounted in devices of various designs.
  • the laminate sheet may be an aluminum laminate sheet, and in detail, a resin outer layer having excellent durability is added to one surface (outer surface) of the metal barrier layer, and a heat-melt resin sealant layer is added to the other surface (inner surface). It may be made of a structure.
  • the resin outer layer should have excellent resistance from the external environment, it is necessary to have a predetermined tensile strength and weather resistance.
  • PET polyethylene terephthalate
  • a stretched nylon film may be preferably used as the polymer resin of the resin outer layer.
  • the metal barrier layer may be used in detail aluminum to exhibit a function of improving the strength of the cell case in addition to the function of preventing the inflow or leakage of foreign substances such as gas, moisture.
  • a polyolefin-based resin having heat sealability (heat adhesion), low hygroscopicity to suppress invasion of the electrolyte solution, and which is not expanded or eroded by the electrolyte solution is preferably used.
  • unstretched polypropylene (CPP) may be used.
  • polyolefin-based resins such as polypropylene have low adhesion to metals, so as a method for improving adhesion to the metal barrier layer, in detail, an adhesive layer is further included between the metal layer and the resin sealant layer. And blocking characteristics can be improved.
  • the material of the adhesive layer include a urethane-based material, an acryl-based material, a composition containing a thermoplastic elastomer, and the like, but are not limited thereto.
  • the electrode assembly embedded in the variable cell case in the state of being impregnated with the electrolyte is not particularly limited as long as it is a plate-like structure that connects a plurality of electrode tabs to form a positive electrode and a negative electrode.
  • cathodes are stacked in a state where a separator is interposed therebetween, or a bi-cell or full cell in which positive and negative electrodes are stacked in a state where a separator is interposed therebetween.
  • It may be a stack / foldable electrode assembly having a structure wound with a film, or a laminate / stack type electrode assembly having a structure in which the bicells or full cells are stacked with a separator interposed therebetween.
  • the bi-cell is a stack-type structure in which the same type of electrode is located on both sides of the cell, for example, a cell consisting of a cathode-separator-cathode-separator-anode or cathode-separator-anode-separator-cathode to be.
  • the full cell has a stacked structure in which different kinds of electrodes are positioned at both sides of the cell, and is, for example, a cell consisting of an anode, a separator, and a cathode.
  • the present invention also provides a battery module including two or more battery cells, and provides a battery pack including the battery module.
  • the present invention also provides a device including the battery pack as a power source, the device is a mobile phone, portable computer, smartphone, tablet PC, smart pad, netbook, LEV (Light Electronic Vehicle), electric vehicle, It may be selected from a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage device.
  • the device is a mobile phone, portable computer, smartphone, tablet PC, smart pad, netbook, LEV (Light Electronic Vehicle), electric vehicle, It may be selected from a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage device.
  • FIG. 1 and 2 are exploded perspective views of a typical representative pouch type secondary battery
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a battery cell showing the internal structure of the battery cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a battery cell showing the internal structure of the battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a battery cell showing the internal structure of the battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a battery cell showing the internal structure of the battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 to 9 are plan views of battery cells according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG 3 is a cross-sectional view schematically showing a battery cell showing the internal structure of the battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • the battery cell 100 includes a stack-type electrode assembly 110 having a structure in which a sheet-shaped anode 112 and a cathode 114 are stacked in a state in which a separator 113 is interposed therebetween. It is made of a structure that is embedded in the pouch-type case 120 in the state impregnated with the electrolyte (not shown), the electrode tab 140 and the electrode lead 142 is formed on one side of the battery cell (100).
  • the electrode assembly 110 and the pouch-type case 120 has a variability that can be deformed according to the shape of the device on which the battery cell 100 is mounted, respectively, the shape of the device having a curved battery cell 100
  • the anti-wrinkle members 150 and 151 are attached to the lower inner surface 122 of the pouch-shaped case 120 facing 121 and the lowermost outer electrode 116 of the electrode assembly.
  • the anti-wrinkle members 150 and 151 may have a network structure and may be made of a plastic material such as polyethylene-terephthalate (PET) or a metal material such as aluminum, and at this time, the anti-wrinkle members 150 and 151 In the case of this metallic material, the surface is prepared by coating a fluororesin as an insulating material.
  • PET polyethylene-terephthalate
  • metal material such as aluminum
  • the network structure has a shape in which a plurality of fibers are woven into each other in a mesh shape, and in some enlarged views of FIG. 3, the anti-wrinkle member 150 of the network structure is expressed as a cross section of the plurality of fibers 155.
  • Figure 4 is a schematic cross-sectional view of the battery cell 200 showing the internal structure of the battery cell 200 according to another embodiment of the present invention.
  • the anti-wrinkle members 250 and 251 of the pouch-shaped case 120 correspond to the vertical axis P passing through the center of the electrode assembly. A portion of the upper inner surface 221 and the lower inner surface 222 is added.
  • the anti-wrinkle member 131 integrated with the pouch type case 120 has a plurality of fibers regularly or irregularly attached to the inner surface of the pouch type case 120, and the electrode assembly 110. ) Is attached to the pouch-type case 120, press the pouch-type case 120 to be in close contact with the electrode assembly 110, the anti-wrinkle member 151 is to press the inner surface of the pouch-type case 120 The curved shape 162 is exposed on the surface of the pouch-shaped case 120 as it is.
  • Figure 5 is a schematic cross-sectional view of a battery cell showing the internal structure of the battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • the battery cell 300 includes a stack type electrode assembly 310 having a stacked structure of a sheet type anode 312 and a cathode 314 in a state where a separator 313 is interposed therebetween. It is made of a structure that is embedded in the pouch-type case 320 in the state impregnated with the electrolyte (not shown), the electrode tab 340 and the electrode lead 342 is formed on one side of the battery cell 300.
  • Each of the electrode assembly 310 and the pouch type case 320 has a variability that can be deformed according to the shape of a device on which the battery cell 300 is mounted.
  • the battery cell 300 of the present invention is a pouch type to prevent such wrinkles
  • the uppermost outermost electrode 315 of the electrode assembly 310 facing the upper inner surface 321 of the case 320 and the lower outermost electrode of the electrode assembly facing the lower inner surface 322 of the pouch type case 320 ( The anti-wrinkle members 350 and 351 are attached to the 316 in a bonded form.
  • the anti-wrinkle members 350 and 351 may have a network structure and may be made of a plastic material such as polyethylene-terephthalate (PET) or a metal material such as aluminum, and at this time, the anti-wrinkle members 350 and 351 In the case of this metallic material, the surface is prepared by coating a fluororesin as an insulating material.
  • PET polyethylene-terephthalate
  • metal material such as aluminum
  • the network structure has a shape in which a plurality of fibers are woven into each other in a mesh shape, and in some enlarged views of FIG. 5, the anti-wrinkle member 350 of the network structure is expressed as a cross section of the plurality of fibers 355.
  • the anti-wrinkle member 350 is formed in a structure in which the mixture of the electrode assembly 310 is partially introduced into its network structure and is integrated with the electrode assembly 310.
  • Figure 6 is a schematic cross-sectional view of the battery cell 400 showing the internal structure of the battery cell 400, according to another embodiment of the present invention.
  • the anti-wrinkle members 450 and 451 may include an electrode assembly corresponding to a vertical axis C passing through the center of the electrode assembly 410. 410 is added to the outer surface center portion.
  • the stress may be concentrated in the center portion of the battery cell, so that the anti-wrinkle members 451 and 452 are added to the outer surface of the electrode assembly 410 corresponding to the vertical axis C passing through the center of the electrode assembly 410.
  • the anti-wrinkle member 331 integrated with the pouch type case 320 has a plurality of fibers regularly or irregularly attached to the outer surface of the electrode assembly 310, and thus, the electrode assembly 310.
  • the anti-wrinkle member 351 presses the inner surface of the pouch type case 320 so that the pouch The curved shape 362 is exposed on the surface of the mold case 320 as it is.
  • FIGS. 7 to 9 schematically show plan views of a battery cell in which a bent shape of a pouch-shaped case according to various embodiments of the present disclosure is revealed.
  • the network structure of the anti-wrinkle member 551 of the battery cell 500 of FIG. 7 consists of a continuous pattern of honeycomb structures in plan view, and this shape is a pouch type case 520.
  • the anti-wrinkle member 651 of the battery cell 600 of FIG. 8 is formed in a continuous pattern of a lattice structure on a plane, and this shape is curved on the pouch-shaped case 620. It is revealed in shape.
  • the anti-wrinkle member 751 of the battery cell 700 of FIG. 9 is formed in a continuous pattern of a rhombic structure on a plane, and this shape is revealed in a bent shape on the pouch-shaped case 720.
  • the battery cell of the present invention is not limited to the embodiment in which the anti-wrinkle member is added in a size equivalent to the entire surface of the pouch-type case, the size may vary. .
  • the battery cell of the present invention can be applied to the anti-wrinkling member of a variety of patterns, but the size of the bent shape is determined according to the thickness of the line of the pattern structure, the degree of densities of the bend according to the spacing or density of the pattern As is determined, it is necessary to appropriately set the shape of the pattern according to the degree of bending or the size of the device to be applied.
  • the battery cell according to the present invention the inner surface of the pouch-type case facing the outermost electrodes of the electrode assembly, or wrinkle-resistant members are added to the outer surface of the electrode assembly is bumpy on the surface of the pouch-type case As the curved shape is formed, even when the battery shape is deformed in response to devices of various designs, the stress generated by the deformation of the pouch-shaped case is released between the valleys of the uneven curved shapes. Unintentional generation of wrinkles can be minimized on the bar, and the metal layer exposure or electrolyte leakage of the pouch type case caused by damage due to wrinkles of the pouch type case can be prevented and the safety of the battery can be secured.
  • the battery cell according to the present invention is a battery cell including an electrode assembly having a variability that can be deformed according to the shape of a device and a cell case, a cell facing the outermost electrodes of the electrode assembly.

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Abstract

본 발명은 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 적층된 구조를 포함하고 있는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 셀 케이스에 내장되어 있고, 상기 전극조립체와 셀 케이스는 각각 전지셀이 장착되는 디바이스의 형상에 따라 변형될 수 있는 가변성을 가지며, 상기 전극조립체의 최외곽 전극들과 대면하는 셀 케이스의 내면 중의 적어도 일부 또는 상기 전극조립체의 외면 중의 적어도 일부에 셀 케이스의 변형시에 주름을 방지하는 주름 방지용 부재가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

주름 방지용 부재를 포함하는 전지셀
본 발명은 주름 방지용 부재를 포함하는 전지셀에 관한 것으로, 상기 전극조립체의 최외곽 전극들과 대면하는 셀 케이스의 내면 중의 적어도 일부 또는 상기 전극조립체의 외면 중의 적어도 일부에 셀 케이스의 변형시 주름을 방지하는 주름 방지용 부재를 부가시킴으로써, 다양한 디자인의 디바이스에 대응하여 전지셀의 형상이 변형되는 경우에 발생될 수 있는 셀 케이스의 주름을 효과적으로 방지한다.
최근 사용량이 증가하고 있는 이차전지는, 전지의 형상 면에서 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1 및 도 2에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 스택형 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 스택형 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전지케이스(40)는 스택형 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 스택형 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 스택형 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 열융착되어, 상단 실링부(44)와 측면 실링부(45, 46), 및 하단 실링부(47)를 형성한다.
도 1에서는 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)가 각각 별도의 부재로서 표시되어 있지만, 도 2에서와 같이 일측 단부가 일체되어 연속되어 있는 경첩식 구조도 가능하다.
또한, 도 1 및 도 2는, 전극 탭과 전극 리드가 연결된 구조의 전극 단자가 일단에 함께 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 전극 단자가 일단과 타단에 각각 형성되어 있는 구조의 파우치형 전지셀 등도 상기와 같은 방법으로 제작할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 1 및 도 2는, 스택형 전극조립체를 사용한 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 권취형 또는 젤리-롤형 전극조립체를 사용하는 경우에도 상기와 같은 방법으로 제조될 수 있음은 물론이다.
도 1 및 도 2에서와 같이, 파우치형 전지셀은, 대략 직육면체의 형상으로 제조되는 것이 일반적이다.
그러나, 디바이스의 디자인은 직육면체 형상으로만 이루어지지 않을 수 있을 뿐만 아니라, 휘어질 수 있는 형상일 수도 있다. 예를 들어, 스마트 폰의 경우에는, 파지감의 향상을 위하여, 측면을 곡선 처리할 수 있고, 플렉서블 디스플레이 같은 경우에는 휘거나 굽힐 수 있으며, 다양한 형태로 제작이 가능하다.
이렇게 곡선 처리된 부분을 가지도록 디자인된 디바이스 또는 휘어질 수 있는 디바이스의 경우, 직육면체 형상의 전지셀 또는 전지팩을 디바이스 내부의 공간에 내장하는 것에 한계가 있다는 문제가 있는 바, 최근에는 다양한 디자인의 디바이스 내에 쉽게 장착할 수 있는 전지의 유연한 특성이 요구되고 있다.
그러나, 곡선 처리된 부분을 가지도록 디자인된 디바이스 또는 휘거나 굽힐 수 있는 가변적인 형태의 디바이스인 경우, 수납되어 있는 전지셀의 형태가 가변 되면서 셀 케이스의 손상이 발생하고, 그로 인해 셀 케이스의 금속층의 노출 또는 전해액 누출 현상 등이 발생하는 문제가 있었다.
따라서, 상기 문제를 해결하고, 전지의 형상의 변형에도 안전성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전극조립체의 최외곽 전극들과 대면하는 셀 케이스의 내면 중의 적어도 일부에 또는 전극조립체의 외면 중 적어도 일부에 셀 케이스의 변형시 주름을 방지하는 주름 방지용 부재를 부가시킴으로써, 다양한 디자인의 디바이스에 대응하여 전지셀의 형상이 변형되는 경우에 발생될 수 있는 셀 케이스의 주름을 효과적으로 방지하는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 셀 케이스에 내장되어 있고,
상기 전극조립체와 셀 케이스는 각각 전지셀이 장착되는 디바이스의 형상에 따라 변형될 수 있는 가변성을 가지며,
상기 전극조립체의 최외곽 전극들과 대면하는 셀 케이스의 내면 중의 적어도 일부에는 셀 케이스의 변형시에 주름을 방지하는 주름 방지용 부재가 부가되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 셀 케이스는, 셀 케이스의 내면에 부가된 주름 방지용 부재에 의해 굴곡 형상을 가질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 주름 방지용 부재는 망상 구조로 이루어질 수 있으며, 상세하게는, 복수의 섬유들이 직포 또는 부직포를 형성하고 있는 구조를 가질 수 있고, 이때, 상기 전지셀의 내부에 부가된 주름 방지용 부재에 의해 셀 케이스 표면에 울퉁불퉁한 굴곡 형상을 가질 수 있다.
본 출원의 발명자들은, 전지셀의 셀 케이스의 내면 중의 적어도 일부에 다수의 섬유들이 서로 그물 모양으로 엮어진 망상 구조의 주름 방지용 부재를 부가할 경우, 전지셀의 제조 공정시, 주름 방지용 부재 다수의 섬유들이 규칙적, 또는 불규칙적으로 배열된 형상에 따라 셀 케이스 내면을 가압하게 되어 울퉁불퉁한 굴곡 형상이 셀 케이스 표면에 형성되고, 전지셀의 변형에 의해 발생되는 셀 케이스의 응력을 이러한 굴곡 형상들의 골 사이로 풀어지도록(release) 유도함으로써, 셀 케이스의 주름 발생을 효과적으로 최소화하는 것을 확인하였다.
이와 같이, 본 발명은 의도하지 않은 셀 케이스의 주름 발생을 최소함에 따라, 셀 케이스의 손상으로 인해 나타나는 셀 케이스의 금속층 노출 또는 전해액 누출 현상을 효과적으로 방지할 수 있으므로, 전지의 안전성을 크게 높일 수 있다.
상기 망상 구조의 형상은, 예를 들면, 평면 상으로 허니콤(honey comb) 구조, 격자 구조, 또는 마름모꼴 구조 등이 연속적인 패턴으로 이루어진 구조일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 망상 구조의 선의 굵기는 100 나노미터 미터 이상 내지 100 마이크로 미터 이하일 수 있다. 선의 굵기가 100 나노미터 미만인 경우, 주름을 방지할 수 있는 적절한 크기의 굴곡 형상을 셀 케이스에 형성시키기 어려울 뿐만 아니라, 셀 케이스 표면을 지지하기에 충분한 인장강도를 발휘하기 어려워 작은 변형에도 주름 방지용 부재가 손상될 수 있고, 100 마이크로 미터를 초과하는 경우에는, 주름 방지용 부재의 두께가 과도하게 늘어나 전지셀의 부피를 증가시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 주름 방지용 부재는 전지셀의 부피 증가를 최소화할 수 있는 얇은 두께의 판상형 부재일 수 있고, 예를 들어, 시트형 부재일 수 있다.
시트형 부재인 경우, 상기 주름 방지용 부재는, 구체적으로, 셀 케이스 표면에 굴곡 형상이 형성될 수 있도록 시트 부재에 복수의 기공들이 천공되어 있는 다공성 구조로 이루어 질 수 있고, 이때, 상기 기공은 직경의 크기가 0.1 밀리미터 내지 1 밀리미터일 수 있으며, 기공들의 간격은 기공의 직경 대비 300% 내지 1000%일 수 있다.
한편, 상기 주름 방지용 부재의 소재는 전기 절연성 특성을 가지고, 다양한 형태로 성형이 용이한 소재라면 한정되지 아니하나, 하나의 구체적인 예에서, 상기 주름 방지용 부재는 고분자 소재로 이루어질 수 있고, 상기 고분자 소재는, 예를 들어, PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene), PET(polyethylene-terephthalate), PMMA(Polymethylmethacrylate), PAN(polyacrylonitrile), 실리콘 수지, 및 천연 또는 합성 고무 등일 수 있다.
또는, 하나의 구체적인 예에서, 상기 주름 방지용 부재는 절연성 물질로 코팅된 금속 소재일 수 있고, 상기 금속 소재는 예를 들면, 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 및 은 등일 수 있고, 절연성 물질은, 예를 들면, 폴리올레핀 수지, 불소 수지, 실리콘 수지 및 고무 수지 등일 수 있다.
한편, 본 발명의 주름 방지용 부재의 부가된 형태는 다양할 수 있으며, 상세하게는, 상기 주름 방지용 부재는 셀 케이스 내면 중의 적어도 일부에 부가된 경우, 셀 케이스의 주름을 효과적으로 방지할 수 있도록, 셀 케이스의 내면에 밀착되어 부착된 형태일 수 있으며, 더욱 상세하게는 열융착 되거나, 접착되는 형태로 부착될 수 있고, 상기 주름 방지용 부재를 접착하는 접착제의 소재로, 불포화 폴리에스테르계 물질이나, 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트, 우레탄 아크릴레이트 등의 폴리아크릴레이트계 물질, 또는 실리콘계 물질 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명의 전지셀은, 주름 방지용 부재를 셀 케이스의 변형이 발생되는 부분의 내면에 열융착하거나, 접착하는 형태로 부착시킴으로써, 상기 주름 방지용 부재가 셀 케이스의 내면과 일체화되어 셀 케이스가 왜곡되지 않도록 지지할 수 있는 바, 셀 케이스의 주름을 효과적으로 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 주름 방지용 부재의 부가 위치는 한정되지 아니하나, 주름의 발생이 많은 굽어지는 부분에 형성되는 것이 바람직하고, 상세하게는, 본 발명의 주름 방지용 부재는 전극조립체의 상단 최외곽 전극과 대면하는 셀 케이스의 상부 내면과 전극조립체의 하단 최외곽 전극과 대면하는 셀 케이스의 하부 내면에 각각 부가될 수 있다.
이는, 일반적으로 전지셀이 곡선을 가진 디바이스의 형상에 따라 휘어지는 경우, 전지의 형상을 변형하기 위한 압력이, 전극의 적층 방향으로 작용하기 때문에, 굽어지는 방향의 내측에 위치하는 면, 즉 셀 케이스의 상면 또는 하면에 주름의 발생이 많기 때문이다.
특히, 축 방향의 수직단면 상으로 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어 있어서 곡면을 형성하는 구조의 디바이스에 전지셀을 적용할 경우에는, 전지셀의 중심부에 응력이 집중될 수 있으므로, 상기 주름 방지용 부재는 전극조립체의 중심을 관통하는 수직 축에 대응하는 셀 케이스의 내면 부위에 부가될 수 있다.
구체적으로, 상기 주름 방지용 부재는, 중심이 전극조립체의 중심을 관통하는 수직 축에 위치하고 있고, 전극조립체의 전체 면적을 기준으로 20% 내지 100%의 크기로 셀 케이스의 내면 부위에 부가될 수 있다.
또한, 본 발명의 주름 방지용 부재는, 전지셀의 부피를 최소화할 수 있도록 얇은 두께로 형성될 수 있고, 상세하게는, 0.1 마이크로미터 내지 150 마이크로미터일 수 있다.
상기 주름 방지용 부재의 두께가 0.1 마이크로미터 미만인 경우, 주름을 방지할 수 있을 정도의 굴곡을 형성시키기 어렵고, 150 마이크로미터를 초과하는 경우에는, 필요이상으로 재료가 사용되어 비경제적일 뿐만 아니라, 부재가 차지하는 부피가 커지므로 전지의 전체적인 크기가 커져 효과 대비 공간 효율성이 떨어지는 바, 바람직하지 않다.
한편, 기술적 과제의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀은,
양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 적층된 구조를 포함하고 있는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 셀 케이스에 내장되어 있고,
상기 전극조립체와 셀 케이스는 각각 전지셀이 장착되는 디바이스의 형상에 따라 변형될 수 있는 가변성을 가지며,
상기 전극조립체의 외면 중의 적어도 일부에는 셀 케이스의 변형시에 주름을 방지하는 주름 방지용 부재가 부가되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 셀 케이스는, 전극조립체의 외면에 부가된 주름 방지용 부재에 의해 굴곡 형상을 가질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 주름 방지용 부재는 망상 구조로 이루어질 수 있으며, 상세하게는, 복수의 섬유들이 직포 또는 부직포를 형성하고 있는 구조를 가질 수 있고, 이때, 상기 전지셀의 내부에 부가된 주름 방지용 부재에 의해 셀 케이스 표면에 울퉁불퉁한 굴곡 형상을 가질 수 있다.
본 출원의 발명자들은, 전지셀의 전극조립체의 외면 중의 적어도 일부에 다수의 섬유들이 서로 그물 모양으로 엮어진 망상 구조의 주름 방지용 부재를 부가할 경우, 전지셀의 제조 공정시, 주름 방지용 부재 다수의 섬유들이 규칙적, 또는 불규칙적으로 배열된 형상에 따라 셀 케이스 내면을 가압하게 되어 울퉁불퉁한 굴곡 형상이 셀 케이스 표면에 형성되고, 전지셀의 변형에 의해 발생되는 셀 케이스의 응력을 이러한 굴곡 형상들의 골 사이로 풀어지도록(release) 유도함으로써, 셀 케이스의 주름 발생을 효과적으로 최소화하는 것을 확인하였다.
이와 같이, 본 발명은 의도하지 않은 셀 케이스의 주름 발생을 최소함에 따라, 셀 케이스의 손상으로 인해 나타나는 셀 케이스의 금속층 노출 또는 전해액 누출 현상을 효과적으로 방지할 수 있으므로, 전지의 안전성을 크게 높일 수 있다.
상기 망상 구조의 형상은, 예를 들면, 평면 상으로 허니콤(honey comb) 구조, 격자 구조, 또는 마름모꼴 구조 등이 연속적인 패턴으로 이루어진 구조일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 망상 구조의 선의 굵기는 100 나노미터 미터 이상 내지 100 마이크로 미터 이하일 수 있다. 선의 굵기가 100 나노미터 미만인 경우, 주름을 방지할 수 있는 적절한 크기의 굴곡 형상을 셀 케이스에 형성시키기 어려울 뿐만 아니라, 셀 케이스 표면을 지지하기에 충분한 인장강도를 발휘하기 어려워 작은 변형에도 주름 방지용 부재가 손상될 수 있고, 100 마이크로 미터를 초과하는 경우에는, 주름 방지용 부재의 두께가 과도하게 늘어나 전지셀의 부피를 증가시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 주름 방지용 부재는 전지셀의 부피 증가를 최소화할 수 있는 얇은 두께의 판상형 부재일 수 있고, 예를 들어, 시트형 부재일 수 있다.
시트형 부재인 경우, 상기 주름 방지용 부재는, 구체적으로, 셀 케이스 표면에 굴곡 형상이 형성될 수 있도록 시트 부재에 복수의 기공들이 천공되어 있는 다공성 구조로 이루어 질 수 있고, 이때, 상기 기공은 직경의 크기가 0.1 밀리미터 내지 1 밀리미터일 수 있으며, 기공들의 간격은 기공의 직경 대비 300% 내지 1000%일 수 있다.
한편, 상기 주름 방지용 부재의 소재는 전기 절연성 특성을 가지고, 다양한 형태로 성형이 용이한 소재라면 한정되지 아니하나, 하나의 구체적인 예에서, 상기 주름 방지용 부재는 고분자 소재로 이루어질 수 있고, 상기 고분자 소재는, 예를 들어, PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene), PET(polyethylene-terephthalate), PMMA(Polymethylmethacrylate), PAN(polyacrylonitrile), 실리콘 수지, 및 천연 또는 합성 고무 등일 수 있다.
또는, 하나의 구체적인 예에서, 상기 주름 방지용 부재는 절연성 물질로 코팅된 금속 소재일 수 있고, 상기 금속 소재는 예를 들면, 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 및 은 등일 수 있고, 절연성 물질은, 예를 들면, 폴리올레핀 수지, 불소 수지, 실리콘 수지 및 고무 수지 등일 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은, 주름 방지용 부재가 전극조립체의 외면 중의 적어도 일부에 부가되어 있는 경우, 주름 방지용 부재는 전극조립체의 외면에 부착된 형태로 부가될 수 있으며, 상세하게는 상기 망상 구조 내로 전극조립체의 합제가 부분적으로 도입되어 전극조립체와 일체화되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 셀 케이스의 주름을 효과적으로 방지할 수 있도록, 전극조립체의 외면에 밀착되어 부착된 형태일 수 있으며, 더욱 상세하게는 열융착 되거나, 접착되는 형태로 부착될 수 있고, 상기 주름 방지용 부재를 접착하는 접착제의 소재로, 불포화 폴리에스테르계 물질이나, 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트, 우레탄 아크릴레이트 등의 폴리아크릴레이트계 물질, 또는 실리콘계 물질 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명의 전지셀은, 주름 방지용 부재를 전극조립체의 외면에 열융착하거나, 접착하는 형태로 부착시킴으로써, 상기 주름 방지용 부재가 전극조립체의 외면과 일체화되어 셀 케이스가 왜곡되지 않도록 지지할 수 있는 바, 셀 케이스의 주름을 효과적으로 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 주름 방지용 부재의 부가 위치는 한정되지 아니하나, 주름의 발생이 많은 굽어지는 부분에 형성됨이 바람직하고, 상세하게는, 본 발명의 주름 방지용 부재는, 주름 방지용 부재가 전극조립체의 외면 중의 적어도 일부에 부가되어 있는 경우, 셀 케이스의 상부 내면과 대면하는 전극조립체의 상단 최외곽 전극과 셀 케이스의 하부 내면과 대면하는 전극조립체의 하단 최외곽 전극에 각각 부가될 수 있다.
이는, 일반적으로 전지셀이 곡선을 가진 디바이스의 형상에 따라 휘어지는 경우, 전지의 형상을 변형하기 위한 압력이, 전극의 적층 방향으로 작용하기 때문에, 굽어지는 방향의 내측에 위치하는 면, 즉 셀 케이스의 상면 또는 하면에 주름의 발생이 많기 때문이다.
특히, 축 방향의 수직단면 상으로 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어 있어서 곡면을 형성하는 구조의 디바이스에 전지셀을 적용할 경우에도, 전지셀의 중심부에 응력이 집중될 수 있으므로, 상기 주름 방지용 부재는 전극조립체의 외면의 중심 부위에 부가될 수 있다.
구체적으로, 상기 주름 방지용 부재는, 주름 방지용 부재가 전극조립체의 외면 중의 적어도 일부에 부가되어 있는 경우, 그것의 중심이 전극조립체의 중심을 관통하는 수직 축에 위치하고 있고, 전극조립체의 전체 면적을 기준으로 20% 내지 100%의 크기로 전극조립체의 외면 부위에 부가될 수 있다.
또한, 본 발명의 주름 방지용 부재는, 전지셀의 부피를 최소화할 수 있도록 얇은 두께로 형성될 수 있고, 상세하게는, 0.1 마이크로미터 내지 150 마이크로미터일 수 있다.
상기 주름 방지용 부재의 두께가 0.1 마이크로미터 미만인 경우, 주름을 방지할 수 있을 정도의 굴곡을 형성시키기 어렵고, 150 마이크로미터를 초과하는 경우에는, 필요이상으로 재료가 사용되어 비경제적일 뿐만 아니라, 부재가 차지하는 부피가 커지므로 전지의 전체적인 크기가 커져 효과 대비 공간 효율성이 떨어지는 바, 바람직하지 않다.
한편, 본 발명의 셀 케이스는 다양한 디자인의 디바이스 내에 쉽게 장착될 수 있는 전지의 유연한 특성을 가지고 수지층과 금속층을 포함하고 있는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스일 수 있다.
이때, 상기 라미네이트 시트는, 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있고, 상세하게는 금속 차단층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 수지 실란트층이 부가되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 수지 외곽층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 수지 외곽층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속 차단층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 셀 케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 수지 실란트층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 금속 차단층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 상세하게는 상기 금속층과 수지 실란트층 사이에 접착층을 추가로 포함하여 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 접착층의 소재로는, 예를 들어, 우레탄(urethane)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 열가소성 일래스토머(elastomer)를 함유하는 조성물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
또한, 전해액에 함침된 상태로 가변적인 셀 케이스에 내장되는 상기 전극조립체는, 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 판상형 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니하나, 상세하게는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 적층한 구조의 스택형 전극조립체, 또는 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체, 또는 상기 바이셀 또는 풀셀들을 분리막이 개재된 상태로 적층한 구조의 라미네이트/스택형 전극조립체일 수 있다.
이때, 상기 바이셀은 같은 종류의 전극이 셀이 양측에 위치하는 스택형 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 양극-분리막-음극-분리막-양극 또는 음극-분리막-양극-분리막-음극으로 이루어진 셀이다. 상기 풀셀은 다른 종류의 전극이 셀의 양측에 위치하는 스택형 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 양극-분리막-음극으로 이루어진 셀이다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 둘 이상 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1 및 도 2는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 내부 구조를 나타낸 전지셀의 단면 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 내부 구조를 나타낸 전지셀의 단면 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지셀의 내부 구조를 나타낸 전지셀의 단면 모식도이다;
도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른, 전지셀의 내부 구조를 나타낸 전지셀의 단면 모식도이다;
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전지셀의 평면도들이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 내부 구조를 나타낸 전지셀의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(100)은, 시트형의 양극(112)과 음극(114)을 분리막(113)이 개재된 상태에서 적층한 구조의 스택형 전극조립체(110)가 전해액(도시하지 않음)에 함침된 상태로 파우치형 케이스(120)에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 전극 탭(140)과 전극 리드(142)가 전지셀(100)의 일측에 형성되어 있다.
이때, 전극조립체(110)와 파우치형 케이스(120)는 각각 전지셀(100)이 장착되는 디바이스의 형상에 따라 변형될 수 있는 가변성을 가지는 바, 전지셀(100)이 곡선을 가진 디바이스의 형상에 따라 휘어질 때 파우치형 케이스(120)의 상면 또는 하면에 발생하는 주름을 방지하기 위해, 전극조립체(110)의 상단 최외곽 전극(115)과 대면하는 파우치형 케이스(120)의 상부 내면(121)과 전극조립체의 하단 최외곽 전극(116)과 대면하는 파우치형 케이스(120)의 하부 내면(122)에는 주름 방지용 부재들(150, 151)이 접착된 형태로 부가되어 있다.
이러한 주름 방지용 부재들(150, 151)은 망상 구조로서, PET(polyethylene-terephthalate) 등과 같은 플라스틱 소재로 이루어지거나, 알루미늄 등과 같은 금속 소재로 이루어질 수 있고, 이때, 주름 방지용 부재들(150, 151)이 금속 소재인 경우에는 표면에 절연성 물질인 불소 수지를 코팅하여 제조하게 된다.
여기서 망상 구조는 다수의 섬유들이 서로 그물 모양으로 엮어진 형상으로, 도 3의 일부 확대도에서는 망상 구조의 주름 방지용 부재(150)를 다수의 섬유들(155)의 단면으로 표현하였다.
한편, 도 4에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀(200)의 내부 구조를 나타낸 전지셀(200)의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 주름 방지용 부재들(250, 251)은, 도 3의 전지셀(100)과 달리, 전극조립체의 중심을 관통하는 수직 축(P)에 대응하는 파우치형 케이스(120)의 상부 내면(221)과 하부 내면(222)의 일부분에 부가되어 있다.
이는, 일반적으로 축 방향의 수직단면 상의 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어져 곡면이 형성된 디바이스에 전지셀을 적용할 경우, 전지셀의 중심부에 대부분의 응력이 집중되므로 주름 방지용 부재들(251, 252)을 전극조립체(230)의 중심을 관통하는 수직 축(P)에 대응하는 파우치형 케이스(120)의 내면의 일부분에 부가한 것이다.
도 3에서와 같이, 파우치형 케이스(120)와 일체화된 주름 방지용 부재(131)는 파우치형 케이스(120) 내면에 다수의 섬유들이 규칙적, 또는 불규칙적으로 배열되어 부착되어 있는 바, 전극조립체(110)를 파우치형 케이스(120)에 장착한 후, 파우치형 케이스(120)를 가압하여 전극조립체(110)에 밀착시키게 되면, 주름 방지용 부재(151)가 파우치형 케이스(120) 내면을 가압하게 되어 파우치형 케이스(120)의 표면에 굴곡 형상(162)이 그대로 드러나게 된다.
한편, 도 5에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지셀의 내부 구조를 나타낸 전지셀의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(300)은, 시트형의 양극(312)과 음극(314)을 분리막(313)이 개재된 상태에서 적층한 구조의 스택형 전극조립체(310)가 전해액(도시하지 않음)에 함침된 상태로 파우치형 케이스(320)에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 전극 탭(340)과 전극 리드(342)가 전지셀(300)의 일측에 형성되어 있다.
이러한 전극조립체(310)와 파우치형 케이스(320)는 각각 전지셀(300)이 장착되는 디바이스의 형상에 따라 변형될 수 있는 가변성을 가진다.
한편, 일반적으로 전지셀이 곡선을 가진 디바이스의 형상에 따라 휘어지는 경우, 파우치형 케이스의 상면 또는 하면에 주름의 발생하기 때문에, 본 발명의 전지셀(300)은, 이러한 주름을 방지하기 위해 파우치형 케이스(320)의 상부 내면(321)과 대면하는 전극조립체(310)의 상단 최외곽 전극(315)과 파우치형 케이스(320)의 하부 내면(322)과 대면하는 전극조립체의 하단 최외곽 전극(316)에 주름 방지용 부재들(350, 351)이 접착된 형태로 부가되어 있다.
이러한 주름 방지용 부재들(350, 351)은 망상 구조로서, PET(polyethylene-terephthalate) 등과 같은 플라스틱 소재로 이루어지거나, 알루미늄 등과 같은 금속 소재로 이루어질 수 있고, 이때, 주름 방지용 부재들(350, 351)이 금속 소재인 경우에는 표면에 절연성 물질인 불소 수지를 코팅하여 제조하게 된다.
여기서 망상 구조는 다수의 섬유들이 서로 그물 모양으로 엮어진 형상으로, 도 5의 일부 확대도에서는 망상 구조의 주름 방지용 부재(350)를 다수의 섬유들(355)의 단면으로 표현하였다.
이러한 주름 방지용 부재(350)는, 그것의 망상 구조 내로 전극조립체(310)의 합제가 부분적으로 도입되어 전극조립체(310)와 일체화되어 있는 구조로 형성된다.
한편, 도 6에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른, 전지셀(400)의 내부 구조를 나타낸 전지셀(400)의 단면도가 모식도적으로 도시되어 있다.
도 6를 참조하면, 또 하나의 실시예에 따른 주름 방지용 부재들(450, 451)은, 도 5과 달리, 전극조립체(410)의 중심을 관통하는 수직 축(C)에 대응하는 전극조립체(410)의 외면 중심 부위에 부가되어 있다.
이는, 일반적으로 축 방향의 수직단면 상의 중심부에 대해 양측 단부가 동일한 방향으로 함께 휘어져 곡면이 형성된 디바이스에 전지셀을 적용할 경우에는, 전지셀의 중심부에 응력이 집중될 수 있기 때문에 주름 방지용 부재들(451, 452)을 전극조립체(410)의 중심을 관통하는 수직 축(C)에 대응하는 전극조립체(410)의 외면에 부가하는 것이다.
도 5에서와 같이, 파우치형 케이스(320)와 일체화된 주름 방지용 부재(331)는 전극조립체(310) 외면에 다수의 섬유들이 규칙적, 또는 불규칙적으로 배열되어 부착되어 있는 바, 전극조립체(310)를 파우치형 케이스(320)에 장착한 후, 파우치형 케이스(320)를 가압하여 전극조립체(310)에 밀착시키게 되면, 주름 방지용 부재(351)가 파우치형 케이스(320) 내면을 가압하게 되어 파우치형 케이스(320)의 표면에 굴곡 형상(362)이 그대로 드러나게 된다.
한편, 도 7 내지 도 9에는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 파우치형 케이스의 굴곡 형상이 드러나 있는 전지셀의 평면도들을 모식적으로 도시되어 있다.
도 7 내지 도 9을 함께 참조하면, 도 7의 전지셀(500)의 주름 방지용 부재(551)의 망상 구조는 평면 상으로 허니콤 구조의 연속적인 패턴으로 이루어져 있고 이러한 형상이 파우치형 케이스(520) 상에 굴곡형상으로 드러나 있고, 도 8의 전지셀(600)의 주름 방지용 부재(651)는 평면 상으로 격자 구조의 연속적인 패턴으로 이루어져 있으며, 이러한 형상이 파우치형 케이스(620) 상에 굴곡형상으로 드러나 있다. 도 9의 전지셀(700)의 주름 방지용 부재(751)는 평면 상으로 마름모꼴 구조의 연속적인 패턴으로 이루어져 있고, 이러한 형상이 파우치형 케이스(720) 상에 굴곡형상으로 드러나 있다.
다만, 도 7 내지 도 9에서와 같이, 본 발명의 전지셀은, 주름 방지용 부재가 파우치형 케이스 일면 전체와 대등한 크기로 부가되어 있는 실시예로만 한정되는 것은 아니고, 그 크기는 다양할 수 있다.
또한, 본 발명의 전지셀은, 다양한 패턴의 주름 방지용 부재를 적용할 수 있으나, 다만, 패턴 구조의 선의 굵기에 따라 굴곡 형상의 크기가 결정되고, 패턴의 간격 또는 조밀한 정도에 따라 굴곡의 밀집도가 결정되는 바, 적용되는 디바이스의 휘어지는 정도나 크기에 따라 패턴의 형상을 적절하게 설정하는 것이 필요하다.
도면을 참조하여 설명하였듯이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체의 최외곽 전극들과 대면하는 파우치형 케이스의 내면, 또는 전극조립체의 외면에 주름 방지용 부재들이 부가되어 파우치형 케이스 표면에 울퉁불퉁한 굴곡 형상을 형성시킴에 따라, 다양한 디자인의 디바이스에 대응하여 전지의 형상을 변형하는 경우에도 파우치형 케이스의 변형에 의해 발생된 응력을 울퉁불퉁한 굴곡 형상들의 골 사이로 풀어(release) 주게 되어 파우치형 케이스 상에 의도하지 않은 주름 발생을 최소화할 수 있는 바, 파우치형 케이스의 주름으로 인한 손상으로 발생되는 파우치형 케이스의 금속층 노출 또는 전해액 누출 현상을 방지할 수 있고 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 디바이스의 형상에 따라 변형될 수 있는 가변성을 가진 전극조립체 및 셀 케이스를 포함하고 있는 전지셀로서, 전극조립체의 최외곽 전극들과 대면하는 셀 케이스의 내면 중의 적어도 일부에 주름 방지용 부재를 부가시키거나, 전극조립체의 외면 중 적어도 일부에 주름 방지용 부재를 부가시킴으로써, 다양한 디자인의 디바이스에 대응하여 전지셀 형상이 변형되는 경우에 발생되는 주름을 최소화할 수 있는 바, 셀 케이스의 주름으로 인한 손상으로 발생되는 셀 케이스의 금속층의 노출 또는 전해액 누출 현상을 효과적으로 방지할 수 있어 전지의 안전성을 높일 수 있다.

Claims (33)

  1. 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 셀 케이스에 내장되어 있고,
    상기 전극조립체와 셀 케이스는 각각 전지셀이 장착되는 디바이스의 형상에 따라 변형될 수 있는 가변성을 가지며,
    상기 전극조립체의 최외곽 전극들과 대면하는 셀 케이스의 내면 중의 적어도 일부에는 셀 케이스의 변형시에 주름을 방지하는 주름 방지용 부재가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 적층된 구조를 포함하고 있는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 셀 케이스에 내장되어 있고,
    상기 전극조립체와 셀 케이스는 각각 전지셀이 장착되는 디바이스의 형상에 따라 변형될 수 있는 가변성을 가지며,
    상기 전극조립체의 외면 중의 적어도 일부에는 셀 케이스의 변형시에 주름을 방지하는 주름 방지용 부재가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 망상 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 복수의 섬유들이 직포 또는 부직포를 형성하고 있는 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 망상 구조는 평면 상으로 허니콤(honey comb) 구조, 격자 구조, 또는 마름모꼴 구조의 연속적인 패턴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 시트형 부재인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 시트 부재에 복수의 기공들이 천공되어 있는 다공성 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 다공성 구조는 기공의 직경이 0.1 밀리미터 내지 1 밀리미터인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 다공성 구조는 기공의 직경 대비 300% 내지 1000%의 간격으로 기공들이 형성된 형태인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 고분자 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 고분자 소재는 PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene), PET(polyethylene-terephthalate), PMMA(Polymethylmethacrylate), PAN(polyacrylonitrile), 실리콘 수지 및 천연 또는 합성 고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 절연성 물질로 코팅된 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 금속 소재는 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 및 은으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 절연성 물질은 폴리올레핀 수지, 불소 수지, 실리콘 수지, 및 고무 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 셀 케이스의 내면에 열융착 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 셀 케이스의 내면에 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 불포화 폴리에스테르계 물질, 폴리아크릴레이트계 물질, 또는 실리콘계 물질의 접착제에 의해 셀 케이스의 내면에 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 전극조립체의 상단 최외곽 전극과 대면하는 셀 케이스의 상부 내면과 전극조립체의 하단 최외곽 전극과 대면하는 셀 케이스의 하부 내면에 각각 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 전극조립체의 중심을 관통하는 수직 축에 대응하는 셀 케이스의 내면 부위에 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는, 중심이 전극조립체의 중심을 관통하는 수직 축에 위치하고 있고, 전극조립체의 전체 면적을 기준으로 20% 내지 100%의 크기로 셀 케이스의 내면 부위에 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  21. 제 2 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재의 망상 구조 내로 전극조립체의 합제가 부분적으로 도입되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  22. 제 2 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 전극조립체의 외면에 열융착 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  23. 제 2 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 전극조립체의 외면에 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 불포화 폴리에스테르계 물질, 폴리아크릴레이트계 물질, 또는 실리콘계 물질의 접착제에 의해 전극조립체의 외면에 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  25. 제 2 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 셀 케이스의 상부 내면과 대면하는 전극조립체의 상단 최외곽 전극과 셀 케이스의 하부 내면과 대면하는 전극조립체의 하단 최외곽 전극에 각각 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  26. 제 2 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는 전극조립체의 외면의 중심 부위에 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재는, 그것의 중심이 전극조립체의 중심을 관통하는 수직 축에 위치하고 있고, 전극조립체의 전체 면적을 기준으로 20% 내지 100%의 크기로 전극조립체의 외면 부위에 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  28. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주름 방지용 부재의 두께는 0.1 마이크로미터 내지 150 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  29. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 셀 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  30. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전극조립체는 판상형 구조를 가지며, 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 적층한 구조의 스택형 전극조립체, 또는 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체, 또는 상기 바이셀 또는 풀셀들을 분리막이 개재된 상태로 적층한 구조의 라미네이트/스택형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  31. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 전지셀을 둘 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  32. 제 31 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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