WO2017090937A1 - 구조 변형이 적은 곡면 전지셀 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

구조 변형이 적은 곡면 전지셀 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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cell
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왕자성
이진우
정지섭
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Definitions

  • the present invention relates to a curved battery cell with less structural deformation and a method of manufacturing the same.
  • the pouch type battery cell is a secondary battery cell having a structure in which an electrode assembly and an electrolyte are built in a pouch type laminate sheet that can accommodate the electrode assembly.
  • the pouch type battery cell has a high energy density per weight, and is inexpensive and easily deformed.
  • FIGS. 1 and 2 Exemplary structures of such pouch-type battery cells are shown in FIGS. 1 and 2.
  • the battery cell 10 has an electrode assembly 30 composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed therebetween inside a pouch-shaped cell case 20, together with an electrolyte solution,
  • the outer periphery 14a, 14b, 14c which is the outer circumferential end of the cell case 20, is formed while the electrode leads 60, 70 connected to the electrode tabs 40, 50 protrude out of the cell case 20. It consists of a sealed structure.
  • a device such as a mobile phone, a notebook, etc. may be designed in a design having a predetermined curved surface for ergonomic design, and a battery cell is also designed in a form corresponding to this.
  • a battery cell having a curved surface is developed so as to be stably mounted on a device having such a design.
  • a pouch-type battery cell of the structure is schematically illustrated.
  • the battery cell 10a has a structure in which both end portions of opposite positions of the electrode assembly 30 and the cell case 20 are bent together in the same direction so that curved surfaces are formed on the outer surface of the battery cell.
  • the outer periphery 14b of the cell case 20 is in close contact with the outer surface 23 of the cell case 20 in a state of being bent in the direction of the electrode assembly.
  • the outer periphery 14b of the pouch-shaped cell case 20 is fused and bonded by heat, unlike other parts of the cell case 20, there is little elastic deformation such as stretching or stretching, and the cell case ( The tension applied when 20) is bent is not alleviated by stretching or stretching at the outer periphery 14b.
  • the tensile force formed on the outer periphery 14b deforms the outer periphery 14b to release the seal, or applies a strong external force to the cell case 20 and the end of the electrode assembly 30 to deform their shape.
  • 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.
  • an object of the present invention firstly, to provide a battery cell made of a special structure so that there is almost no structural deformation even in a curved surface formed state, and secondly, a negative factor that greatly affects the performance of the battery cell, such as deterioration It is to provide a battery cell manufacturing method that can be eliminated.
  • a battery cell having a structure in which outer peripheries of a cell case are sealed by heat fusion with an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator stored inside a cell case together with an electrolyte solution,
  • the electrode assembly and the cell case has a structure in which both ends of opposite positions are bent together in the same direction so that curved surfaces are formed on the outer surface of the battery cell.
  • At least one outer periphery of the heat-sealed outer periphery of the cell case is bent to be in close contact with the curved surface forming the inner surface.
  • the battery cell according to the present invention is bent and close to the outer periphery of the cell case portion where a relatively low tensile force is formed, the tensile force generated when the cell case is bent or bent almost applied to the outer periphery It doesn't work.
  • the battery cell according to the present invention has an advantage that there is little structural deformation even in a curved state. .
  • FIG. 1 to FIG. 3 with a battery cell according to the prior art
  • FIG. 6 with a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • the battery cell 10a that is curved to have a curved surface generates tension in the curved directions A and A ', and the tension is equally applied to the electrode case as well as the cell case 20.
  • the tension causes a strong tensile force on the opposite outer surface 22 in the bending direction
  • the tensile force applied to the cell case 22 is the center of the battery cell (10a) From C) in the end direction.
  • a tensile force is formed in the end direction from the central part C of the battery cell 10, and at the same time the outer periphery 14b In response to the bending, tensile force is generated in the fan direction.
  • the tensile force in the sector direction may be applied to the opposite or perpendicular to the bending direction (A, A ').
  • a part of the cell case 20 may be elongated in response to the tensile force.
  • the pouch-type battery cell 10 in order to reduce the area of the battery cell 10 while preventing the penetration of moisture through the heat-sealed outer periphery (14c, 14b), as shown in Figure 2, the outer peripheral The fields 14c and 14b should be bent in the direction of the electrode assembly.
  • the outer periphery 14b is in close contact with the lateral direction, the outer periphery 14b is formed with a tensile force in a fan-like direction corresponding to the bending, and the tensile force is opposed to the bending direction. Since it is applied vertically, the sealing state of the outer periphery 14b can be released by the tension force, and the outer periphery 14b may be torn when the tensile force is applied more strongly. This problem is caused similarly to the case where the outer periphery is bent and in close contact with the outer curved surface 22, which is opposite to the curved surface, unlike FIG.
  • the electrode assembly and the cell case are easily deformed and restored to their original shape by the heat-sealed outer periphery, and the sealing of the cell case may be released while the outer periphery is damaged. It includes.
  • the phenomenon in which the outer periphery is restored to its original shape also affects the cell case and the electrode assembly in series, so that the structure does not maintain the battery cell in a desired form by causing structural deformation even in a curved state. Also includes.
  • the battery cell 100 of the present invention is in close contact with the outer periphery 124 heat-sealed to the inner curved surface 101 of the relatively low tensile force, unlike the battery cells shown in Figures 1 to 3 No tensile force is formed in the outer periphery 124.
  • the battery cell 100 of the present invention does not have a tensile force formed on the outer periphery 124, a phenomenon in which the outer periphery is restored to its original shape does not occur as a reaction to the outer periphery 124. No structural deformation occurs.
  • the battery cell 100 according to the present invention has a very high structural stability, despite the curved structure.
  • the battery cell according to the present invention is composed of a curved structure formed on the outer surface, and at the same time made of a special structure modified the bending structure of the outer peripheral heat fusion, the battery through the following non-limiting examples Specific structures and configurations of the cell will be described in more detail.
  • the cell case In one specific example, the cell case,
  • a first surface forming an outer surface of the battery cell, a second surface opposite to the first surface, and side surfaces between the first and second surfaces;
  • the electrode assembly and the cell case may be bent in a direction of the second surface, and the at least one outer periphery may be bent to be in close contact with the second surface.
  • the cell case of such a structure may further include a member for reinforcing its mechanical rigidity, in some cases, and specifically, the cell case may have a plate-shaped reinforcement to prevent the bending shape of the electrode case and the electrode assembly from changing.
  • the member is added on the second side,
  • the reinforcing member may be bent along the cell case in the direction of the second surface.
  • the reinforcing member is further added on at least one outer periphery extending from the second surface,
  • the reinforcing member On the outer periphery bent to be in close contact with the second surface, the reinforcing member may be bent in the second surface direction together with the outer periphery.
  • the curved shape of the battery cell may be changed due to the contraction and expansion of the positive electrode plate and the negative electrode plate during charging and discharging.
  • the concave second surface is a region that is subjected to considerable stress in manufacturing the battery cell.
  • the battery cell has a tendency to relieve shrinkage stress by expanding the concave surface during charging.
  • the reinforcing member may suppress the expansion of the concave second surface to maintain the shape of the battery cell.
  • the reinforcing member may be attached to the second surface of the cell case by an adhesive or the like, and may be a polymer resin such as polypropylene, polyethylene terephthalate, polyimide or polyphenylene sulfide, but is not limited thereto.
  • the outer periphery may include: a first outer periphery of at least one electrode terminal among the pair of electrode terminals of the electrode assembly;
  • a pair of second outer peripheries extending parallel to each other from both ends of the first outer periphery
  • a third outer periphery extending between ends of second outer peripheries parallel to the first outer periphery
  • the second outer peripheries may be bent together with the second surface in a bent state to be in close contact with the second surface of the cell case.
  • the second outer peripheries may form an inner surface of the battery cell in a curved state with the second surface, and the inner surface is a curved surface.
  • end portions of the electrode assembly corresponding to the first and third outer peripheries of the cell case may be curved in the direction of the second surface of the cell case in correspondence to the first and third outer peripheries of the cell case.
  • This structure is such that when the both ends of the electrode assembly and the cell case are bent in the direction of the second surface, the second outer peripheries that are in close contact with the second surface have a tension in a direction opposite to the direction in which the cell case is bent. There is a structural advantage that does not cause.
  • the cell case has a variable characteristic to be easily bent in a state in which the electrode assembly is embedded. That is, the variable cell case may be deformed by an external force applied while the electrode assembly is embedded.
  • variable cell case may be a pouch type case made of a laminate sheet including a metal layer and a resin layer.
  • the laminate sheet may have a structure in which a resin outer layer having excellent durability is added to one surface (outer surface) of the metal barrier layer, and a heat sealable resin sealant layer is added to the other surface (inner surface).
  • 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 used as the polymer resin of the resin outer layer.
  • the metal barrier layer may be 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 and 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, and as a way to improve adhesion to the metal barrier layer, preferably, an additional adhesion layer is provided 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.
  • variable cell case is a structure in which the resin layers of the laminate sheet are in close contact with each other and they are melt-bonded by heat to seal the electrode assembly and the electrolyte from the outside, and the outer peripheries are joined in the structure.
  • the battery cell, the second surface of the bent cell case and the first curved surface made by the second outer periphery in close contact with the second surface;
  • a second curved surface made by the first surface of the bent cell case
  • a pair of flat surfaces that are arcuate in a plane made by the sides of the cell case
  • the tensile force formed in the cell case at the first curved surface is 5% to 70% lower than the tensile force applied to the cell case by the second curved surface and the flat surfaces.
  • the second outer periphery is included in the first curved surface in which the tensile force is relatively small as described above, and the electrode assembly and the cell case are in the original shape by the outer periphery as in the prior art. There is little occurrence of deformation and restoration.
  • the battery cell has a structure in which the outer peripheries are sealed with the electrode terminals of the electrode assembly protruding side by side through the first outer periphery, or the electrode terminals protrude through the first outer periphery and the third outer periphery, respectively. Perimeters may be sealed, but are not limited to these structures.
  • the battery cell may be bent to various radius of curvature (R) according to the desired shape, but if the radius of curvature (R) is too small the radius of curvature such that the deformation of distortion, such as the concentration of stress in the center of the battery cell On the contrary, if the radius of curvature is too large, it is difficult to control the radius of curvature and again can be returned to its original state, ie flat state.
  • R radius of curvature
  • the battery cell may have a structure in which the electrode assembly and the cell case are bent together in the radius of curvature R range of 10R to 200R.
  • the radius of curvature R is a radius of a curve forming a curved surface and a circle in contact with the curve in the battery cell.
  • a large radius of curvature means a small degree of bending, and a small radius of curvature is It means that the degree is large.
  • the unit of the radius of curvature (R) may be millimeters or centimeters.
  • the radius of curvature R is 50R to 200R, the unit of the radius of curvature R may be millimeters.
  • the radius of curvature R may be between 20R and 50R, and the unit of radius of curvature R may be centimeters.
  • the radius of curvature R may be an average value of the first radius of curvature R1 at the first curved surface and the second radius of curvature R2 at the second curved surface based on the vertical cross section of the battery cell.
  • the radius of the circle in contact with the curve of the first curved surface based on the vertical cross section of the battery cell.
  • the radius of the circle may be slightly different at all points on the curve of the first curved surface, but this corresponds to an error range in the manufacturing process, and may be regarded as having a substantially same radius of curvature, and specifically, the first curvature.
  • Radius R1 may be an average value of radii that abut on the curve of the first curved surface.
  • the radius of curvature of the upper end portion and the end portion of the curve of the first curved surface may be configured differently in the range of 10% to 50%.
  • the first radius of curvature R1 may be an average value of radii contacting the curve of the first curved surface.
  • the bending state may appear to be restored during repeated charging and discharging processes. While being pressed by the case may receive a lot of force through the membrane may cause a short circuit.
  • the radius of curvature of the end portion of the curve of the first curved surface may be a structure larger than the radius of curvature on the center.
  • the second radius of curvature R2 may be slightly different from the first radius of curvature R1, but this corresponds to an error range in a manufacturing process, and may be regarded as having substantially the same radius of curvature. Accordingly, in the present invention, the radius of curvature R of the battery cell is defined as an average of the first radius of curvature R1 at the first curved surface and the second radius of curvature R2 at the second curved surface.
  • the second radius of curvature R2 is a radius of a circle contacting the curve of the second curved surface with respect to the vertical cross section of the battery cell, and similarly to the first radius of curvature R1, all of the curves of the second curved surface
  • the radius of the circle at the point may be slightly different, but this corresponds to the error range in the manufacturing process, it can be regarded as having a substantially the same radius of curvature, in detail the second radius of curvature R2 is It may be an average of radii that abut on the curve of the second curved surface.
  • the radius of curvature of the center portion and the end portion may be configured differently in the range of 10% to 50%.
  • the second radius of curvature R2 may be an average value of radii that abut on the curve of the second curved surface.
  • the radius of curvature of the end portion of the curve of the second curved surface may be a structure larger than the radius of curvature on the center portion.
  • first radius of curvature and the second radius of curvature may be substantially the same, and at the same time, the radius of curvature may be substantially the same at all points of the first and second curved surfaces.
  • the radius of curvature at the end portion of the first curved surface and the second curved surface may be formed larger than the radius of curvature on the center.
  • the end portion of the battery cell has a relatively deformable force due to restoration compared to both ends having a small radius of curvature under the same conditions. Since it is small, the force applied to the end of the electrode assembly is small. Therefore, there is an advantage that the possibility of short circuit of the electrode plate is low.
  • the electrode assembly and the cell case may be a structure bent to form a symmetry with respect to the center of the battery cell.
  • the electrode assembly and the cell case may be curved to be asymmetric with respect to the center of the battery cell.
  • the center of the battery cell means a horizontal axis parallel to them between the first outer periphery and the third outer periphery of the cell case and passing through the center of the battery cell.
  • the electrode assembly has a structure in which a separator is interposed between a plurality of positive and negative electrodes, or a plurality of unit cells stacked in a state in which a separator is interposed between one or more positive and negative electrodes is arranged on a separation film. It may be a structure in which the separation film is wound in a state.
  • the type of the battery cell is not particularly limited, but as a specific example, lithium ion (Li-ion) secondary battery, lithium polymer (Li-polymer) having advantages such as high energy density, discharge voltage, output stability, etc. ) A secondary battery, or a lithium secondary battery such as a lithium-ion polymer secondary battery.
  • lithium ion (Li-ion) secondary battery lithium polymer (Li-polymer) having advantages such as high energy density, discharge voltage, output stability, etc.
  • a secondary battery or a lithium secondary battery such as a lithium-ion polymer secondary battery.
  • a lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte.
  • the positive electrode is manufactured by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder on a positive electrode current collector and / or an extension current collector, and then drying the composition, and optionally adding a filler to the mixture. do.
  • the positive electrode current collector and / or the extension current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 micrometers.
  • the positive electrode current collector and the extension current collector are not particularly limited as long as they have high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like on the surface of the stainless steel may be used.
  • the positive electrode current collector and the extension current collector may form fine irregularities on the surface thereof to increase adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof 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.
  • the binder is a component that assists the bonding of the active material and the conductive material to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode is manufactured by coating and drying a negative electrode active material on a negative electrode current collector and / or an extension current collector, and optionally, the components as described above may be further included if necessary.
  • the negative electrode current collector and / or the extension current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 micrometers.
  • Such a negative electrode current collector and / or an extension current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like on the surface of copper or stainless steel, aluminum-cadmium alloy, and the like can be used.
  • fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative 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.
  • carbon such as hardly graphitized carbon and graphite type carbon
  • Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' Metal complex oxides such as Al, 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 , and metal oxides such as Bi 2
  • the separator is interposed between the anode and the cathode, and 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 micrometers, the thickness is generally from 5 to 300 micrometers.
  • olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used.
  • a solid electrolyte such as a polymer
  • the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the electrolyte may be a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte, and consists of a non-aqueous electrolyte and a lithium salt.
  • nonaqueous electrolyte nonaqueous organic solvents, organic solid electrolytes, inorganic solid electrolytes, and the like are used, but not limited thereto.
  • non-aqueous organic solvent examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be
  • organic solid electrolytes 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 , Nitrides, halides, sulfates and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may 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, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, Nitrobenzene 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.
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide
  • Nitrobenzene derivatives sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyr
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene) may be further included. Carbonate), PRS (Propene sultone) may be further included.
  • lithium salts such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2, and the like, may be formed of cyclic carbonate of EC or PC, which is a highly dielectric solvent, and DEC, DMC, or EMC, which are low viscosity solvents.
  • Lithium salt-containing non-aqueous electrolyte can be prepared by adding to a mixed solvent of linear carbonate.
  • the present invention also provides a method of manufacturing the battery cell.
  • the method for manufacturing a curved battery cell includes applying a heat and pressure to the electrode assembly and bending the same, and sealing the pouch-type cell case with a pouch-type cell case that is easily deformed to correspond to the bent shape.
  • the cell case also has a burden on the manufacturing process that must be deformed like the electrode assembly, and when the electrolyte is injected and charged while the bent electrode assembly is mounted on the cell case, the stress inherent in the electrode assembly during the bending process is caused by the electrolyte. It also shows a tendency to be recovered by the plasticizing action of, thereby causing the problem that the end of the electrode assembly is pressed by the inner surface of the cell case, the possibility of a short circuit increases.
  • the electrode assembly is not pressurized to form a curved surface, but after the electrode assembly is mounted in the cell case, the electrolyte is injected and initial charge and discharge are performed. Form a curved surface.
  • the deformation relatively low, but heat is not directly applied to the electrode assembly, thereby minimizing deterioration.
  • the curved surface when the curved surface is formed by pressing the electrode assembly itself, the curved surface must be formed again in the cell case for accommodating the curved surface.
  • the curved surface formation itself is not easy and the process becomes complicated.
  • the cell case is also pressurized and bent, resulting in excellent process efficiency.
  • the electrolyte of the battery cell in the pressing process acts as a kind of plasticizer during the bending of the electrode assembly, thereby minimizing the occurrence of stress caused by the interfacial friction of the electrode plates, and thus the curved electrode assembly is caused by the stress during repeated charging and discharging. The tendency to restore to its original state can be greatly reduced.
  • the cell case is made of a material having a predetermined variability that can be easily deformed and bent in the pressing process (b).
  • the process (c) is a process for forming a curved surface on the outer surface of the battery cell, jig (for example, concave jig) having a shape corresponding to the shape of the desired curved surface and jig of the corresponding shape (for example For example, it is a process of pressurizing a battery cell using convex jig
  • the heat treatment may be performed in the pressing process, and in this case, the heating method is not particularly limited, and for example, a heater may be installed inside the jig to simultaneously heat the pressing.
  • the pressure and temperature applied in the pressing process are such that they do not cause deterioration of the electrode assembly inside the battery cell, and are preferably performed at 10 to 90 ° C. at a pressure of 150 to 500 kgF. However, in order to minimize deterioration of the electrode assembly and the electrolyte due to heating, it is preferable to perform the pressurization reaction at room temperature without a separate heating process.
  • the shape of the curved surface may be stably maintained by relieving the stress induced in the battery cell in the pressing process (c) so that a desired radius of curvature R may be formed.
  • the present invention also provides a battery pack having a structure in which a battery cell having the predetermined curved surface is formed in a pack case bent in the same shape as the battery cell, and a device using the same as a power source.
  • the battery pack may be used as a power source for a device, which is a mobile electronic device or a wearable electronic device.
  • FIG. 1 to 3 are schematic views of a battery cell and a curved battery cell according to the prior art
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view showing the battery cell shown in Figure 4 and the structure bent the battery cell;
  • FIG. 6 is a schematic view of a curved battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of a curved battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a process of manufacturing a battery cell according to the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view of a battery pack including a curved battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a vertical cross-sectional view of a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a battery cell (100a) according to an embodiment of the present invention.
  • the battery cells 100a may include the outer peripheries of the cell case 120 with the electrode assembly 110 including the positive electrode, the negative electrode, and the separator accommodated inside the cell case 120 together with the electrolyte.
  • 124, 125, and 126 are formed in a sealed structure by thermal fusion, and may be the same as the structure of the battery cell 100 of FIGS. 1 and 2, and thus descriptions of overlapping configurations will be omitted.
  • the cell case 120 includes a first surface 122 forming an outer surface of the battery cell 100, a second surface 121 opposite to the first surface 122, and a first surface 122 and a second surface. Sides 123 between 121.
  • the cell case 120 also includes outer peripheries 124, 125, 126 extending outwardly from the side surfaces 123 and the second surface 121.
  • the outer peripheries 124, 125, and 126 may include a first outer periphery 126 and at least one of the pair of electrode terminals 60 and 70 of the electrode assembly 110.
  • a pair of second outer peripheries 124 and 125 extending parallel to each other from both ends of the first outer periphery 126 and second outer peripheries 124 parallel to the first outer periphery 126.
  • a third outer periphery (not shown) extending between the ends of 125).
  • outer periphery 124, 125, 126 are heat-sealed, and the first outer periphery 126, the second outer periphery 124, 125, and the third outer periphery are heat-sealed of the battery cell 100. To form an end.
  • the second outer circumferences 124 and 125 may be formed of an electrode assembly (eg, an electrode assembly) in order to prevent penetration of moisture through them and to reduce the area of the battery cell 100. It is bent in the direction 110, in detail, is bent to be in close contact with the second surface 121 of the cell case 120.
  • an electrode assembly eg, an electrode assembly
  • the battery cells 100 have end portions 111 and 112 of the electrode assembly 110 corresponding to the first outer circumference 126 and the third outer circumference of the cell case 120.
  • the cell case 120 is bent toward the second surface 121 of the cell case 120, and the cell case 120 has the first outer circumference 126 and the third outer circumference in the same direction in response to the bending of the electrode assembly 110. While bending to face, the curved battery cell 100 is deformed.
  • This structure is, as described above, when the both ends of the electrode assembly 110 and the cell case 120 is bent in the direction of the second surface 121, the second other in close contact with the second surface 121 There is a structural advantage that does not cause a tension force in the opposite direction to the direction in which the cell case 120 is bent in the peripheral (124, 125).
  • Figure 6 is a schematic diagram of the curved battery cell 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery cell 100 may include second outer peripheries 124 in close contact with the second surface 121 and the second surface 121 of the bent cell case 120.
  • the first curved surface 101 made by 125
  • the second curved surface 102 made by the first surface 122 of the bent cell case 120
  • the planes made by the side surfaces 123 of the cell case 120 It comprises a pair of arcuate flat surfaces 103.
  • the electrode assembly 110 and the cell case 120 are bent together at a radius of curvature R, and the radius of curvature R is a first radius of curvature R1 at the first curved surface 101. And the second radius of curvature R2 at the second curved surface 102.
  • the battery cell 100 also includes an electrode assembly 110 and a cell case 120 parallel to them between the first outer periphery 126 and the third outer periphery of the cell case 120, and the battery cell 100. It is bent to be symmetrical with respect to the horizontal axis C via the center of.
  • the battery cell 100 the tension is generated in the bending direction (B, B '), this tension is equally applied to the electrode assembly 110 as well as the cell case 120.
  • This tension causes a strong tensile force on the second curved surface 102 of the battery cell 100, and in particular, the tensile force applied to the cell case 120 acts in an end direction from the center C of the battery cell 100. A part of the cell case 120 is stretched.
  • a tensile force is formed in the end direction from the central portion C of the battery cell 100, and at the same time, a tensile force is generated in a fan shape corresponding to the bending, and a fan shape is formed.
  • the tensile force in the direction is applied opposite to or perpendicular to the bending directions B and B '.
  • the second outer periphery (124, 125) tends to be restored to its original shape by the tensile force and the second surface 121 of the cell case 120 where the tensile force is hardly formed And a first curved surface 101 formed by a combination of), and the curved surface of the battery cell 100 is released in spite of the tensile force due to the bending because the first curved surface 101 has little structural deformation. Deformation of the structures of the second outer peripheries 124 and 125, the cell case 120 and the electrode assembly 110 may be prevented.
  • FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of a battery cell 200 according to another embodiment of the present invention.
  • the battery cell 200 is bent such that the electrode assembly 210 and the cell case 210 are asymmetric with respect to the center C of the battery cell 100.
  • the battery cell 200 is the first curved surface 201 is made of curves of different radii of curvature radius (Ra, Rb, Rc), more specifically, the center (C) of the battery cell 200
  • both portions of the first curved surface 201 are asymmetrical structures that are bent at different curvature radii.
  • the first radius of curvature R1 ′ of the first curved surface 201 is the average of the different radius of curvatures Ra, Rb, Rc, which is substantially the same as the second curved surface 202.
  • a structure having a small radius of curvature that is, a structure having a relatively large bending state
  • the tendency of the bending state is strongly restored
  • the end portion of the battery cell 200 has an electrode assembly adjacent to the end when the bending state is restored. Since the electrode plates of the 210 are pressurized by the cell case 220 and are easily shorted through the separator due to a large force, at least the end portion of the battery cell 200 has a relatively large radius of curvature, that is, a bending state Relatively small structures are advantageous.
  • the battery cell 200 has a structure in which the radius of curvature Rc of the end portion of the first curved surface 201 and the second curved surface 202 is larger than the radius of curvature Rb on the center portion.
  • This structure is such that the repetitive charge and discharge of the battery cell 200, when the active material applied to the electrode plate is repeated expansion and contraction, the end portion is deformed according to the restoration compared to both ends having a small radius of curvature under the same conditions Since this relatively small, the force applied to the end of the electrode assembly 210 is small, as a result it is possible to reduce the possibility of short circuit of the electrode plates described above.
  • FIG. 8 schematically illustrates a process of manufacturing a curved battery cell 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus for forming a curved surface may include an upper jig 310 having a convex portion 311 having a radius of curvature r and a radius of curvature r to be engaged with the upper jig 310.
  • Concave portion 321 of the lower jig 320 is formed.
  • the battery cell 100a is in a state in which an electrode assembly is embedded in a variable cell case together with an electrolyte, and is mounted on the recess 321 of the lower jig 320 to form a curved surface.
  • the curved surface corresponding to the shape of the upper jig 310 and the lower jig 320 is bent while the battery cell 100a is bent. Is formed.
  • the electrode assembly is accommodated in a variable cell case and the pressing process is performed as a post-treatment process in the state of performing electrolyte injection and initial charge and discharge. Deterioration of the assembly can be minimized.
  • the electrolyte inside the cell case serves as a kind of plasticizer, thereby minimizing the stress caused by the interfacial friction between the electrode plates during the pressurization process, and thus, due to such stress during the charge / discharge process of the battery cell 100. The tendency to recover can be greatly reduced.
  • the pressurization process is preferably performed at room temperature, but may be accompanied by a predetermined heat treatment process, if necessary, for this purpose, a heating heater (not shown) inside the upper jig 310 and / or lower jig 320 ) May be installed.
  • the manufactured battery cell 100 has a shape in which both ends are bent upwards together, and its radius of curvature R may have a size equal to or greater than the radius of curvature r of the upper jig 310.
  • FIG. 9 schematically shows a battery pack mounted with a battery cell according to the present invention.
  • the pack case of the battery pack 400 has a pack case body 420 that is gently curved in the same shape as the battery cell to form a curved surface, an upper cap 410 mounted on an upper end thereof, and the same. It consists of a bottom cap (not shown) mounted on the bottom surface of the.
  • the upper cap 410 is provided with a groove 411 to protrude the external input and output terminals.
  • the battery pack 400 having a predetermined curved surface may be mounted on a device having various curved surfaces, such as a mobile phone, to efficiently use an internal space, thereby manufacturing a device having a close structure. Accordingly, it is possible to develop a device having a variety of designs according to the taste of the consumer can ultimately contribute to the diversification of the product.
  • FIG. 10 is a vertical cross-sectional view of a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • the structure of the battery cell 500 according to FIG. 10 is similar to that of the battery cells of FIGS. 4 to 6, but the reinforcing member 530 is added to the second surface 521 of the cell case 520. There is a difference.
  • the reinforcing member 530 is bent in the direction of the second surface 521 together with the cell case 520, thereby preventing the curved shape of the battery cell 500 from being restored.
  • the battery cell according to the present invention is bent and close to the outer periphery of the cell case portion where the relatively low tensile force is formed, when the cell case is bent, or the tensile force generated in the bent state It is hardly applied around. As a result, the sealing state of the outer periphery is released or the phenomenon in which the outer periphery is restored to its original shape due to the reaction of the tensile force does not occur.
  • the battery cell according to the present invention has almost no structural deformation even in a curved state.
  • the electrode surface is not formed by pressing only the electrode assembly, but after the electrode assembly is mounted in the cell case, the electrolyte is injected and the initial charge and discharge are performed. Form.
  • the deformation relatively low, but heat is not directly applied to the electrode assembly, thereby minimizing deterioration.

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스 내부에 수납된 상태로 셀 케이스의 외주변들이 열융착에 의해 밀봉된 구조의 전지셀로서, 상기 전극조립체와 셀 케이스는, 전지셀의 외면에 곡면이 형성되도록, 서로 대향하는 위치의 양측 단부들이 동일한 방향으로 함께 휘어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 셀 케이스의 열융착된 외주변들 중에서 적어도 하나의 외주변은 안쪽 면을 이루면서 휘어진 면에 밀착되도록 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

구조 변형이 적은 곡면 전지셀 및 이를 제조하는 방법
본 출원은 2015.11.23자 한국 특허 출원 제10-2015-0163991호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 구조 변형이 적은 곡면 전지셀 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지셀에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
대표적으로 전지셀의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지셀과 파우치형 이차전지셀에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지셀에 대한 수요가 높다.
이중, 파우치형 전지셀은 전극조립체의 수납이 가능한 파우치형의 라미네이트 시트에 전극조립체와 전해액이 내장된 구조로 이루어진 이차전지셀로서, 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 형태의 변형이 용이한 특징을 가진다.
이러한 파우치형 전지셀의 예시적인 구조가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지셀(10)은 파우치형의 셀 케이스(20) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 전해액과 함께 내장되어 있고, 전극조립체의 전극 탭들(40, 50)과 연결된 전극리드들(60, 70)이 셀 케이스(20)의 외측으로 돌출된 상태로 셀 케이스(20)의 외주 단부인 외주변들(14a, 14b, 14c)이 밀봉된 구조로 이루어져 있다.
한편, 최근에는 디바이스의 디자인 자체가 수요자의 제품 선택에 있어서 매우 중요한 요소로 작용하고 있으므로 종래 생산성 등을 고려한 평면형 디자인에서 탈피하여 다양한 형태의 디자인이 설계되고 있다. 예를 들어, 휴대폰, 노트북 등과 같은 디바이스는 인체공학적인 설계를 위해 소정의 곡면을 갖는 디자인으로 설계될 수 있고, 이에 대응하기 위한 형태로 전지셀 또한 설계되고 있다.
예를 들어, 외면에 곡면이 형성되어 있는 형태의 디자인이 다수 개발됨에 따라, 이러한 디자인의 디바이스에 안정적으로 장착될 수 있도록 해당 부분이 휘어져 곡면을 갖는 전지셀이 개발되고 있으며, 도 3에는 이러한 곡면 구조의 파우치형 전지셀이 모식적으로 도시되어 있다.
도 3를 참조하면, 전지셀(10a)은 전극조립체(30)와 셀 케이스(20)가 전지셀의 외면에 곡면이 형성되도록, 서로 대향하는 위치의 양측 단부들이 동일한 방향으로 함께 휘어 있는 구조로 이루어져 있고, 셀 케이스(20)의 외주변(14b)이 전극조립체 방향으로 절곡된 상태로 셀 케이스(20) 외면(23)에 밀착되어 있다.
그러나, 파우치형 셀 케이스(20) 의 외주변(14b)은 열에 의해 융착 및 접합된 구조이므로 셀 케이스(20)의 다른 부위와는 다르게 연신이나 인장 등의 탄력적인 변형이 적으며, 셀 케이스(20)가 휘어질 때 인가되는 인장력이 외주변(14b)에서는 연신이나 인장에 의해 완화되지 않는다.
특히, 셀 케이스(20)의 측면(23) 방향으로 절곡 및 밀착되어 있는 외주변(14b)에는 휘어진 방향(A, A')에 대해 대략 반대 방향으로 인장력이 형성되기 때문에, 외주변(14b)이 원래 형상으로 복원되려는 경향이 강하고, 이런 이유로 전극조립체(30)와 셀 케이스(20) 또한 원래 형상으로 변형 및 복원되면서 전지셀(10a)의 곡면이 유지되지 않는 문제점이 있다.
더욱이, 외주변(14b)에 형성된 인장력은 외주변(14b)을 변형시켜 밀봉 상태를 해제시키거나, 셀 케이스(20)와 전극조립체(30) 단부에 강한 외력을 인가하여 이들의 형태를 변형시키는 원인이 된다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있고, 곡면이 형성될 수 있도록 휘어져 있는 형태의 전지셀에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 첫째로, 곡면이 형성된 상태에서도 구조 변형이 거의 없도록 특별한 구조로 이루어진 전지셀을 제공하는 것이며, 둘째로, 열화와 같이 전지셀의 성능에 큰 영향을 미치는 부정적인 요인들이 해소될 수 있는 전지셀 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스 내부에 수납된 상태로 셀 케이스의 외주변들이 열융착에 의해 밀봉된 구조의 전지셀로서,
상기 전극조립체와 셀 케이스는, 전지셀의 외면에 곡면이 형성되도록, 서로 대향하는 위치의 양측 단부들이 동일한 방향으로 함께 휘어 있는 구조로 이루어져 있고,
상기 셀 케이스의 열융착된 외주변들 중에서 적어도 하나의 외주변은 안쪽 면을 이루면서 휘어진 면에 밀착되도록 절곡되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은 상대적으로 낮은 인장력이 형성되는 셀 케이스 부위에 외주변이 절곡 및 밀착되어 있는 바, 셀 케이스가 휘어질 때, 또는 휘어진 상태에서 발생되는 인장력이 외주변에 거의 인가되지 않는다.
결과적으로, 외주변의 밀봉 상태가 해제되거나 인장력의 반작용으로 외주변이 원래 형상으로 복원되는 현상이 발생되지 않는 바, 본 발명에 따른 전지셀은 곡면이 형성된 상태에서도 구조 변형이 거의 없는 장점을 가진다.
이를 더욱 구체적으로 설명하기 위하여, 종래 기술에 따른 전지셀이 도시된 도 1 내지 도 3과 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀이 도시된 도 6을 비교하여 설명한다.
일반적으로 곡면을 가지도록 휘어진 전지셀(10a)은, 휘어진 방향(A, A')으로 장력이 발생되며, 이 장력은 셀 케이스(20) 뿐만 아니라 전극조립체에도 동일하게 적용된다. 이를 셀 케이스(20)를 기준으로 설명하면, 상기 장력은 휘어진 방향의 대향의 바깥 곡면(22)에서 강한 인장력을 유발하고, 셀 케이스(22)에 인가된 인장력은 전지셀(10a)의 중심부(C)로부터 단부 방향으로 작용한다.
이와 유사하게 외주변(14b)이 형성되어 있는 셀 케이스(20)의 측면(23)에서도 전지셀(10)의 중심부(C)로부터 단부 방향으로 인장력이 형성되고, 이와 동시에 외주변(14b)에는 휘어짐에 대응하여 부채꼴 방향으로 인장력이 발생된다. 상기 부채꼴 방향의 인장력은 휘어진 방향(A, A')의 대향 내지 수직으로 적용될 수 있다.
이와 같이, 셀 케이스(20)에는 휘어짐에 따른 저항으로서 인장력이 발생하기 때문에, 셀 케이스(20)의 일부는 인장력에 대응하여 연신될 수 있다.
한편, 파우치형 전지셀(10)은, 열융착된 외주변들(14c, 14b)을 통한 수분의 침투를 방지하면서도 전지셀(10)의 면적을 줄이기 위하여, 도 2에서와 같이, 상기 외주변들(14c, 14b)을 전극조립체 방향으로 절곡 시켜야 한다.
그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 외주변들(14c, 14b)은 열에 의해 융착 및 접합된 구조이므로 셀 케이스(20)의 다른 부위와는 다르게 연신이나 인장 등의 탄력적인 변형이 적다. 따라서, 열융착된 외주변들(14c, 14b)은 인장력에 대한 반작용으로 원래 형상으로 복원되려는 경향이 강하다.
더욱이, 도 3에서와 같이, 상기 외주변(14b)이 측면 방향으로 밀착된 상태라면, 상기 외주변(14b)에는 휘어짐에 대응하여 부채꼴 방향으로의 인장력이 형성되며, 이러한 인장력은 휘어진 방향의 대향 내지 수직으로 적용되기 때문에, 상기 인장력에 의해 외주변(14b)의 밀봉 상태가 해제될 수 있고 인장력이 더욱 강하게 인가되는 경우에는 외주변(14b)이 찢어질 수도 있다. 이러한 문제점은 도 3와 달리, 휘어진 방향의 대향 면인 바깥 곡면(22) 방향으로 외주변이 절곡 및 밀착된 경우에도 마찬가지로 유발된다.
즉, 도 1 내지 도 3의 전지셀 구조는 열융착된 외주변에 의해 전극조립체와 셀 케이스가 원래 형상으로 변형 및 복원되기 용이하며, 외주변이 손상되면서 셀 케이스의 밀봉이 해제될 수 있는 문제점을 포함한다.
더욱이, 외주변이 원래 형상으로 복원되는 현상은 셀 케이스와 전극조립체에도 연쇄적으로 영향을 미치기 때문에, 상기 구조는 곡면이 형성된 상태에서도 구조 변형을 유발하여 소망하는 형태로 전지셀이 유지되지 않는 문제점 또한 포함한다.
한편, 도 6을 참조하면, 휘어진 방향(B, B')과 대응하는 안쪽 면(101)에는 전지셀(100)의 단부로부터 중심부(C) 방향으로 힘이 전달되기 때문에, 이 부위의 셀 케이스 및 전극조립체에는 인장력이 거의 형성되지 않는다.
이에, 본 발명의 전지셀(100)은 상대적으로 인장력이 매우 낮은 안쪽의 휘어진 면(101)에 열융착된 외주변(124) 밀착되어 있어 도 1 내지 도 3에 도시된 전지셀과는 달리 상기 외주변(124)에 인장력이 형성되지 않는다.
이처럼 본 발명의 전지셀(100)은 외주변(124)에 인장력이 형성되지 않기 때문에 이에 대한 반작용으로 외주변이 원래 형상으로 복원되는 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 이로 인한 전지셀(100)의 구조 변형이 발생되지 않는다.
더욱이, 상기 인장력에 의해 외주변(124)의 밀봉 상태가 해제되거나 파손될 가능성이 매우 낮기 때문에 본 발명에 따른 전지셀(100)은 곡면 구조임에도 불구하고, 구조적 안정성이 매우 높은 장점이 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 외면에 곡면이 형성되도록 휘어진 구조로 이루어져 있는 동시에, 열융착 외주변의 절곡 구조를 변형한 특별한 구조로 이루어져 있으며, 이하의 비제한적인 예들을 통해 상기 전지셀의 구체적인 구조와 구성들을 더욱 상세하게 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 셀 케이스는,
전지셀의 외면을 이루는 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대 면인 제 2 면, 및 제 1 면과 제 2 면 사이의 측면들; 및
열융착 밀봉을 위해 상기 측면들과 제 2 면으로부터 외향 연장되어 있는 외주변들;
을 포함하고 있으며,
상기 전극조립체와 셀 케이스는 제 2 면의 방향으로 휘어져 있고, 적어도 하나의 외주변이 제 2 면 밀착되도록 절곡될 수 있다.
이러한 구조의 셀 케이스는 경우에 따라서, 그것의 기계적 강성을 보강하기 위한 부재를 더 포함할 수 있으며, 구체적으로, 셀 케이스는 그것과 전극조립체의 휘어진 형상이 변화하는 것을 방지하기 위한 판 형의 보강 부재가 제 2 면 상에 부가되어 있고,
상기 보강 부재는 셀 케이스와 함께 제 2 면의 방향으로 휘어져 있을 수 있다.
또한, 상기 보강 부재는 상기 제 2 면으로부터 연장되어 있는 적어도 하나의 외주변 상에 추가로 부가되어 있고,
상기 제 2 면에 밀착되도록 절곡되어 있는 외주변 상에서, 보강부재가 상기 외주변과 함께 제 2 면 방향으로 절곡될 수도 있다.
휘어진 형태의 전지셀은 충방전시 양극판과 음극판의 수축 및 팽창으로 인해 곡률반경(R)이 변화할 수 있는데, 특히, 오목하게 휘어진 제 2 면은 전지셀의 제조 시 상당한 응력을 받는 영역으로, 상기 전지셀은 충전시 오목한 면이 팽창함으로써 수축 응력을 완화하려는 경향을 지닌다.
이때, 보강 부재는 오목한 제 2 면이 팽창하는 것을 억제하여 전지셀의 형상을 유지할 수 있다.
상기 보강 부재는 접착제 등에 의해 셀 케이스의 제 2 면에 부착될 수 있으며, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드 또는 폴리페닐렌 설파이드 등의 고분자 수지 등일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 외주변들은, 전극조립체의 한 쌍의 전극 단자들 중, 적어도 하나의 전극 단자가 위치하는 제 1 외주변;
제 1 외주변의 양측 단부로부터 서로 평행하게 연장되어 있는 한 쌍의 제 2 외주변들; 및
상기 제 1 외주변에 대해 평행하게 제 2 외주변들의 단부 사이에 연장되어 있는 제 3 외주변;
을 포함하고 있으며, 상기 제 2 외주변들은 셀 케이스의 제 2 면에 밀착되도록 절곡된 상태로 제 2 면과 함께 휘어진 구조일 수 있다.
즉, 상기 제 2 외주변들은 제 2 면과 함께 휘어진 상태로 전지셀의 안쪽 면을 형성할 수 있고, 상기 안쪽 면은 곡면이다.
상기 구조에서는 셀 케이스의 제 1 외주변과 제 3 외주변에 대응하는 전극조립체의 단부들이 셀 케이스의 제 1 외주변 및 제 3 외주변에 대응하여 셀 케이스의 제 2 면의 방향으로 휘어질 수 있다.
이러한 구조는 전극조립체와 셀 케이스의 양측 단부가 제 2 면의 방향으로 휘어질 때, 상기 제 2 면에 밀착되어 있는 제 2 외주변들은 셀 케이스가 휘어지는 방향에 대한 반대 방향의 인장력(tension)을 유발하지 않는 구조적 장점이 있다.
이는 앞서 설명한 바와 같이, 휘어진 방향과 대응되는 제 2 면에만 휘어진 단부로부터 중심부 방향으로 힘이 전달되는 점에 기인하는 것으로, 상기 제 2 면에 밀착된 제 2 외주변에도 동일한 방향의 힘은 인가되지만 셀 케이스가 휘어지는 방향에 대한 반대 방향으로는 인장력이 발생하지 않기 때문이다.
본 발명에서 상기 셀 케이스는 전극조립체를 내장한 상태에서 용이하게 휘어질 수 있도록 가변적인 특성을 갖는다. 즉, 가변적인 셀 케이스는 전극조립체가 내장된 상태에서 가해진 외력에 의해 변형이 가능하다.
상기 가변적인 셀 케이스의 구체적인 구조는 셀 케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스일 수 있다.
상기 라미네이트 시트는, 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 사용될 수 있다.
상기 금속 차단층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 셀 케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 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, 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 금속 차단층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 바람직하게는 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.
상기 가변적인 셀 케이스는 라미네이트 시트의 수지층들이 서로 대면하도록 밀착된 상태에서 이들이 열에 의해 용융 접합되는 구조로 전극조립체와 전해액을 외부로부터 밀봉할 수 있으며, 상기 외주변들이란, 상기 구조로 접합되어 있는 셀 케이스의 외주 부위를 의미하며, 더욱 상세하게는 전극조립체와 전해액이 셀 케이스에 내장된 상태로 밀봉된 구조의 전지셀에서, 상기 외주변들은 평면상으로 전지셀의 단부일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은, 휘어진 셀 케이스의 제 2 면 및 상기 제 2 면에 밀착된 제 2 외주변들이 만드는 제 1 곡면;
휘어진 셀 케이스의 제 1 면이 만드는 제 2 곡면; 및
셀 케이스의 측면들이 만드는 평면상으로 아치형인 한 쌍의 평탄면들;
을 포함하며,
상기 제 1 곡면에서 셀 케이스에 형성된 인장력은 제 2 곡면과 평탄면들에 의해 셀 케이스에 가해지는 인장력 보다 5% 내지 70% 낮은 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은, 상기와 같이 인장력이 상대적으로 작게 형성되는 제 1 곡면에 제 2 외주변이 포함되어 있는 바, 종래와 같이 외주변에 의해 전극조립체와 셀 케이스가 원래 형상으로 변형 및 복원되려는 현상이 거의 발생되지 않는다.
상기 전지셀은 전극조립체의 전극 단자들이 제 1 외주변을 통해 나란히 돌출된 상태로 외주변들이 밀봉된 구조, 또는 상기 전극 단자들이 제 1 외주변과 제 3 외주변을 통해 각각 돌출된 상태로 외주변들이 밀봉된 구조 일 수 있으나, 이러한 구조들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 전지셀은 소망하는 형상에 따라 다양한 곡률 반경(R)으로 휘어질 수 있으나, 곡률 반경(R)은 곡률 반경이 너무 작으면 전지셀의 중앙부에 응력이 집중되면서 뒤틀림 등의 변형이 발생될 수 있고, 반대로 곡률 반경이 너무 크면 곡률 반경을 제어하기 어렵고 재차 원상태, 즉, 편평한 상태로 되돌아갈 수 있다.
따라서, 상기 전지셀은 10R 내지 200R의 곡률 반경(R) 범위에서 전극조립체와 셀 케이스가 함께 휘어져 있는 구조일 수 있다. 상기 곡률 반경(R)이란, 전지셀에서, 곡면을 형성하는 곡선과, 이 곡선 상에 접하는 원의 반경으로서, 곡률 반경이 크다는 것은 휘어진 정도가 작다는 것을 의미하며, 곡률 반경이 작다는 것은 휘어진 정도가 크다는 것을 의미한다. 본 발명에서 곡률 반경(R)의 단위는 밀리미터 또는 센티미터일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 곡률 반경(R)은 50R 내지 200R이며, 곡률 반경(R)의 단위는 밀리미터일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 곡률 반경(R)은 20R 내지 50R이고, 곡률 반경(R)의 단위는 센티미터일 수 있다.
상기 곡률 반경(R)은, 전지셀의 수직 단면을 기준으로, 제 1 곡면에서의 제 1 곡률 반경(R1)과 제 2 곡면에서 제 2 곡률 반경(R2)의 평균치 일 수 있다.
상기 제 1 곡률 반경(R1)의 경우, 전지셀의 수직 단면을 기준으로, 제 1 곡면의 곡선 상에 접하는 원의 반경이다.
상기 제 1 곡면의 곡선 상의 모든 지점에서 원의 반경이 미세하게 상이할 수 있으나 이는 제조 공정 상의 오차 범위에 해당하는 것으로, 실질적으로 동일한 곡률 반경을 가지는 것으로 간주할 수 있으며, 상세하게는 제 1 곡률 반경(R1)은 상기 제 1 곡면의 곡선 상에 접하는 반경들의 평균치일 수 있다.
경우에 따라서는 상기 제 1 곡면의 곡선 중, 중심부위와 단부 부위의 곡률 반경이 10% 내지 50%의 범위에서 상이하게 구성될 수도 있다.
이때, 상기 제 1 곡률 반경(R1)은 상기 제 1 곡면의 곡선 상에 접하는 반경들의 평균치일 수 있다. 다만, 곡률 반경이 작은 구조, 즉, 휨 상태가 상대적으로 큰 구조의 이차전지에서는 반복적인 충방전 과정에서 휨 상태가 복원되는 경향이 나타날 수 있으며, 이 경우에 셀 케이스의 단부에 인접한 극판들이 셀 케이스에 의해 가압되면서 많은 힘을 받아 분리막을 관통하여 단락을 유발될 수 있다.
따라서, 상기 구조에서는 상기 제 1 곡면의 곡선 중, 단부 부위의 곡률 반경이 중심부위의 곡률 반경보다 큰 구조일 수 있다.
상기 제 2 곡률 반경(R2)의 경우, 제 1 곡률 반경(R1)과 미세하게 상이할 수 있으나 이는 제조 공정 상의 오차 범위에 해당하는 것으로, 실질적으로 동일한 곡률 반경을 가지는 것으로 간주할 수 있다. 이에, 본 발명에서는 전지셀의 곡률 반경(R)을 제 1 곡면에서의 제 1 곡률 반경(R1)과 제 2 곡면에서의 제 2 곡률 반경(R2)의 평균으로 정의하는 것이다.
또한, 상기 제 2 곡률 반경(R2)은 전지셀의 수직 단면을 기준으로, 제 2 곡면의 곡선 상에 접하는 원의 반경이며, 제 1 곡률 반경(R1)과 마찬가지로, 제 2 곡면의 곡선 상의 모든 지점에서 원의 반경이 미세하게 상이할 수 있으나 이는 제조 공정 상의 오차 범위에 해당하는 것인 바, 실질적으로 동일한 곡률 반경을 가지는 것으로 간주할 수 있으며, 상세하게는 제 2 곡률 반경(R2)은 상기 제 2 곡면의 곡선 상에 접하는 반경들의 평균치일 수 있다.
경우에 따라서는 상기 제 2 곡면의 곡선 중, 중심부위와 단부 부위의 곡률 반경이 10% 내지 50%의 범위에서 상이하게 구성될 수도 있다. 이때, 상기 제 2 곡률 반경(R2)은 상기 제 2 곡면의 곡선 상에 접하는 반경들의 평균치일 수 있다. 상기 구조에서는 상기 제 2 곡면의 곡선 중, 단부 부위의 곡률 반경이 중심부위의 곡률 반경보다 큰 구조일 수 있다.
즉, 상기 제 1 곡률 반경과 제 2 곡률 반경은 실질적으로 동일할 수 있고, 이와 동시에, 상기 제 1 곡면과 제 2 곡면의 모든 지점에서 곡률 반경은 실질적으로 동일할 수 있다.
반면에, 상기 제 1 곡률 반경과 제 2 곡률 반경은 실질적으로 동일하지만, 상기 제 1 곡면 및 제 2 곡면의 단부 부위에서의 곡률 반경은 중심부위에서의 곡률 반경보다 크게 형성될 수도 있다. 이러한 구조는, 전지셀의 반복적인 충방전 과정에서, 극판에 도포되어 있는 활물질들이 팽창과 수축을 반복할 때, 단부는 동일한 조건에서 작은 곡률 반경을 가진 양측 단부와 비교하여 복원에 따른 변형력이 상대적으로 작으므로, 전극조립체의 단부에 가해지는 힘이 작다. 따라서, 극판의 단락의 유발 가능성이 낮은 장점이 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체와 셀 케이스는 전지셀의 중심을 기준으로 대칭을 이루도록 휘어져 있는 구조일 수 있다.
이와는 달리, 전극조립체와 셀 케이스는 전지셀의 중심을 기준으로 비대칭을 이루도록 휘어져 있는 구조일 수 있다.
여기서, 상기 전지셀의 중심이란, 셀 케이스의 제 1 외주변 및 제 3 외주변 사이에서 이들과 평행하며, 전지셀의 중심부를 경유하는 수평 축을 의미한다.
본 발명에서 상기 전극조립체는 복수의 양극과 음극들 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조, 또는 하나 이상의 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층된 복수의 단위셀들이 분리필름에 배열된 상태로 분리필름이 권취된 구조일 수 있다.
또한, 상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 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 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 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 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 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 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 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. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (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, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 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, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 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) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 제조하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 방법은,
(a) 가변적인 셀 케이스에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입한 상태에서 셀 케이스의 외주변들을 열융착시켜 판상형 셀을 제조하는 과정;
(b) 상기 외주변들 중에서 서로 대향하는 한 쌍의 제 2 외주변들을 셀 케이스의 제 2 면으로 수평 절곡하여 밀착시키는 과정;
*(c) 곡률 반경(R)보다 작은 곡률 반경(r)의 전지셀 형상이 각인되어 있는 상하 분리형의 지그에 상기 판상형 셀을 장착한 후 가압하는 과정; 및
(d) 상기 지그를 형개하여 전지셀을 취출한 후, 휘어진 상태가 부분적으로 회복되어 곡률 반경(R)이 만들어질 수 있도록 소정 시간 동안 정치하는 과정;을 포함할 수 있다.
일반적으로, 곡면 전지셀의 제조 방법은, 열과 압력을 전극조립체에 인가하여 절곡 시킨 후, 이러한 절곡 형상에 대응하도록 변형이 용이한 파우치형 셀 케이스로 밀봉 처리하는 과정을 포함한다.
그러나, 이러한 제조 방식은 하기와 같이 전지셀의 성능을 크게 저하시킬 수 있다.
첫째로, 전극조립체에 직접 열이 가해지므로, 전지셀의 열화가 발생하게 되는 심각한 문제가 있다. 이러한 열화는 전극의 구조 변형이나 전극을 이루는 활물질들의 분해를 촉발하여, 전지셀 성능을 저하시키는 원인이 된다.
둘째로, 셀 케이스도 전극조립체와 같이 변형하여야 하는 제조 공정상의 부담이 있으며, 휘어진 전극조립체를 셀 케이스에 장착한 상태에서 전해액을 주입하고 충전하였을 때, 휘는 과정에서 전극조립체에 내재된 응력이 전해액의 가소 작용에 의해 회복되는 경향을 나타내며, 이로 인해 전극조립체의 단부가 셀 케이스의 내면에 의해 가압되면서 단락의 가능성이 높아지는 문제점도 존재한다.
반면에, 본 발명의 전지셀 제조 방법은, 전극조립체 만을 가압하여 곡면을 형성하는 것이 아니라, 셀 케이스에 전극조립체를 장착한 후 전해액을 주입하고 초기 충방전을 수행한 상태에서, 후처리 과정으로 곡면을 형성한다. 따라서, 상대적으로 변형이 적을 뿐만 아니라, 전극조립체에 직접적으로 열이 가해지지 않으므로 그로 인한 열화를 최소화할 수 있다.
또한, 전극조립체 자체를 가압하여 곡면을 형성하는 경우에는 이를 수납하기 위한 셀 케이스에도 재차 곡면을 형성하여야 하므로, 이러한 곡면 형성 자체가 용이하지 않고 공정이 번잡해지지만, 본 발명에 따르면 전극조립체와 함께 셀 케이스도 가압하여 휘므로 공정 효율성이 우수하다.
더욱이, 가압 과정에서 전지셀의 전해액은 전극조립체가 휘는 과정에서 일종의 가소제로 작용하여, 극판들의 계면 마찰력으로 유발되는 응력의 발생을 최소화시킴으로써, 휘어져 있는 전극조립체가 반복적인 충방전 과정에서 응력으로 인해 원상태로 복원되려는 경향을 크게 줄일 수 있다.
이러한 일체 방식의 성형이 용이하도록, 상기 셀 케이스는 가압 과정(b)에서 용이하게 변형되어 휘어질 수 있는 소정의 가변성을 갖는 소재로 이루어져 있다.
상기 과정(c)은 전지셀의 외면에 곡면을 형성하기 위한 공정으로서, 소망하는 곡면의 형상에 대응하는 형상을 갖는 지그(예를 들어, 오목형 지그)와 이에 대응하는 형상의 지그(예를 들어, 볼록형 지그)를 이용하여 전지셀을 가압하는 공정이다.
경우에 따라서는, 상기 가압 과정에서 열처리를 수행할 수 있고, 이 경우 가열 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 상기 지그의 내부에 히터를 설치하여 가압과 동시에 가열할 수 있다.
상기 가압 과정에서 가해지는 압력 및 온도는, 전지셀 내부의 전극조립체의 열화를 초래하지 않을 정도로서, 150 ~ 500 kgF의 압력으로 10 내지 90℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 다만, 가열로 인한 전극조립체 및 전해액의 열화를 최소화할 수 있도록, 별도의 가열 공정 없이 상온에서 가압 반응을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 정치 과정(d)에서는 소망하는 곡률 반경(R)이 형성될 수 있도록, 가압 과정(c)에서 전지셀에 유발된 응력을 해소시켜 곡면의 형상이 안정적으로 유지될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 소정의 곡면이 형성되어 있는 전지셀이, 상기 전지셀과 동일한 형상으로 휘어져 있는 팩 케이스에 내장되어 있는 구조의 전지팩 및 이를 전원으로 사용하는 디바이스를 제공한다.
이러한 전지팩은 상세하게는 모바일 전자기기 또는 웨어러블 전자기기인 것을 특징으로 하는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 전지셀과 곡면 전지셀의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 모식도이다;
도 5는 도 4에 도시된 전지셀과 이 전지셀이 휘어진 구조를 나타낸 수직 단면도;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 곡면 전지셀의 모식도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 곡면 전지셀의 수직 단면도이다;
도 8는 본 발명에 따른 전지셀을 제조하는 과정의 모식도이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 곡면이 형성된 전지셀을 포함하는 전지팩의 사시도이다;
도 10는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도이다.
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 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀(100a)의 모식도들이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전지셀(100a)은 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체(110)가 전해액과 함께 셀 케이스(120) 내부에 수납된 상태로 셀 케이스(120)의 외주변들(124, 125, 126)이 열융착에 의해 밀봉된 구조로 이루어져 있으며, 이러한 도 1 내지 도 2의 전지셀(100) 구조와 동일할 수 있는 바, 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다.
셀 케이스(120)는 전지셀(100)의 외면을 이루는 제 1 면(122)과, 제 1 면(122)에 반대 면인 제 2 면(121), 및 제 1 면(122)과 제 2 면(121) 사이의 측면들(123)을 포함한다.
셀 케이스(120)는 또한, 상기 측면들(123)과 제 2 면(121)으로부터 외향 연장되어 있는 외주변들(124, 125, 126)을 포함한다.
*상기 외주변들(124, 125, 126)은, 전극조립체(110)의 한 쌍의 전극 단자들(60, 70) 중, 적어도 하나의 전극 단자가 위치하는 제 1 외주변(126), 제 1 외주변(126)의 양측 단부로부터 서로 평행하게 연장되어 있는 한 쌍의 제 2 외주변들(124, 125) 및 상기 제 1 외주변(126)에 대해 평행하게 제 2 외주변들(124, 125)의 단부 사이에 연장되어 있는 제 3 외주변(도시하지 않음)을 포함한다.
이들 외주변들(124, 125, 126)은 열융착되어 있으며, 열융착된 제 1 외주변(126), 제 2 외주변들(124, 125) 및 제 3 외주변은 전지셀(100)의 단부를 형성한다.
이와 같이 열융착된 외주변들(124, 125, 126) 중, 제 2 외주변들(124, 125)은, 이들을 통한 수분 침투의 방지와 전지셀(100) 면적을 축소하기 위하여, 전극조립체(110) 방향으로 절곡 되며, 상세하게는 셀 케이스(120)의 제 2 면(121)에 밀착되도록 절곡 된다.
이러한 상태에서, 전지셀(100)은 도 5에서와 같이, 셀 케이스(120)의 제 1 외주변(126)과 제 3 외주변에 대응하는 전극조립체(110)의 단부들(111, 112)이 셀 케이스(120)의 제 2 면(121) 방향으로 휘어져 있으며, 셀 케이스(120)는 전극조립체(110)의 휘어짐에 대응하여 제 1 외주변(126)과 제 3 외주변이 동일 방향을 향하도록 휘어지면서, 곡면 전지셀(100)로 변형된다.
이러한 구조는 앞서 설명한 바와 같이, 전극조립체(110)와 셀 케이스(120)의 양측 단부가 제 2 면(121)의 방향으로 휘어질 때, 상기 제 2 면(121)에 밀착되어 있는 제 2 외주변들(124, 125)에 셀 케이스(120)가 휘어지는 방향에 대한 반대 방향의 인장력을 유발하지 않는 구조적 장점이 있다.
이는 셀 케이스(120)의 제 2 면(121)에만 전지셀(100)의 단부로부터 중심부 방향으로 힘이 전달되는 점에 기인하는 것으로, 상기 제 2 면(121)에 밀착되는 제 2 외주변들(124, 125)에도 동일한 방향의 힘은 인가되지만 셀 케이스(120)가 휘어지는 방향에 대한 반대 방향으로는 인장력이 발생하지 않기 때문이다.
이와 관련하여, 도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 곡면 전지셀(100)의 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 도 4 및 도 5와 함께 참조하면, 전지셀(100)은, 휘어진 셀 케이스(120)의 제 2 면(121)과 제 2 면(121)에 밀착된 제 2 외주변들(124, 125)이 만드는 제 1 곡면(101), 휘어진 셀 케이스(120)의 제 1 면(122)이 만드는 제 2 곡면(102) 및 셀 케이스(120)의 측면들(123)이 만드는 평면상으로 아치형인 한 쌍의 평탄면들(103)을 포함한다.
전지셀(100)은 곡률 반경(R)으로 전극조립체(110)와 셀 케이스(120)가 함께 휘어져 있으며, 곡률 반경(R)은, 제 1 곡면(101)에서의 제 1 곡률 반경(R1)과 제 2 곡면(102)에서 제 2 곡률 반경(R2)의 평균이다.
전지셀(100)은 또한, 전극조립체(110)와 셀 케이스(120)가 셀 케이스(120)의 제 1 외주변(126) 및 제 3 외주변 사이에서 이들과 평행하며, 전지셀(100)의 중심을 경유하는 수평 축(C)을 기준으로, 대칭을 이루도록 휘어져 있다.
한편, 전지셀(100)은, 휘어진 방향(B, B')으로 장력이 발생되며, 이 장력은 셀 케이스(120) 뿐만 아니라 전극조립체(110)에도 동일하게 적용된다. 이러한 장력은 전지셀(100)의 제 2 곡면(102)에서 강한 인장력을 유발하며, 특히, 셀 케이스(120)에 인가된 인장력은 전지셀(100)의 중심부(C)로부터 단부 방향으로 작용하면서, 셀 케이스(120)의 일부를 연신시킨다.
또한, 전지셀(100)의 평탄면들(103)에서도 전지셀(100)의 중심부(C)로부터 단부 방향으로의 인장력이 형성되고, 이와 동시에 휘어짐에 대응하여 부채꼴 방향으로 인장력이 발생되며, 부채꼴 방향의 인장력은 휘어진 방향(B, B')의 대향 내지 수직으로 적용된다.
반면에, 전지셀(100)의 제 1 곡면(101)에는 전지셀(100)의 단부로부터 중심부(C) 방향으로 힘이 전달되는데, 이러한 이유로, 제 1 곡면(101)에는 인장력이 거의 형성되지 않는다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀(100)은, 인장력에 의해 원래 형상으로 복원되기 쉬운 제 2 외주변들(124, 125)과 인장력이 거의 형성되지 않는 셀 케이스(120)의 제 2 면(121)의 조합에 의해 형성된 제 1 곡면(101)을 포함하고 있고, 이러한 조합에 의해 제 1 곡면(101)은 구조 변형이 적기 때문에 휘어짐에 따른 인장력에도 불구하고 전지셀(100)의 곡면들이 해제되거나 제 2 외주변들(124, 125), 셀 케이스(120) 나아가 전극조립체(110)의 구조가 변형되는 현상이 방지될 수 있다.
도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀(200)의 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 전지셀(200)은 전극조립체(210)와 셀 케이스(210)는 전지셀(100)의 중심(C)을 기준으로 비대칭을 이루도록 휘어져 있다.
구체적으로, 전지셀(200)은 제 1 곡면(201)이 서로 상이한 곡률 반경들(Ra, Rb, Rc)의 곡선들로 이루어져 있으며, 더욱 상세하게는 전지셀(200)의 중심(C)을 기준으로 제 1 곡면(201)의 양측 부위가 상이한 곡률 반경으로 휘어진 비대칭 구조이다.
여기서, 제 1 곡면(201)의 제 1 곡률 반경(R1')은 상기 상이한 곡률 반경들(Ra, Rb, Rc)의 평균이며, 이는 제 2 곡면(202)과 실질적으로 동일하다.
한편, 곡률 반경이 작은 구조, 즉, 휨 상태가 상대적으로 큰 구조에서는 휨 상태가 복원되는 경향이 강하게 나타나고, 전지셀(200)의 단부 부위는 휨 상태가 복원될 때, 단부에 인접한 전극조립체(210)의 극판들이 셀 케이스(220)에 의해 가압되면서 많은 힘을 받아 분리막을 관통하여 단락되기 쉽기 때문에, 적어도 전지셀(200)의 단부 부위는 곡률 반경이 상대적을 큰 구조, 즉, 휨 상태가 상대적으로 작은 구조가 유리하다.
따라서, 전지셀(200)은 제 1 곡면(201) 및 제 2 곡면(202)에서, 단부 부위의 곡률 반경(Rc)이 중심부위의 곡률 반경(Rb)보다 큰 구조로 이루어져 있다.
이러한 구조는 전지셀(200)의 반복적인 충방전 과정에서, 극판에 도포되어 있는 활물질들이 팽창과 수축을 반복할 때, 단부는 동일한 조건에서 작은 곡률 반경을 가진 양측 단부와 비교하여 복원에 따른 변형력이 상대적으로 작으므로, 전극조립체(210)의 단부에 가해지는 힘이 작고, 결과적으로 앞서 설명한 극판들의 단락 가능성을 줄일 수 있다.
도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 곡면이 형성된 전지셀(100)을 제조하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 곡면의 형성을 위한 장치는 곡률 반경(r)의 볼록부(311)가 형성되어 있는 상부 지그(310)와, 상부 지그(310)와 맞물릴 수 있도록 곡률 반경(r)의 오목부(321)가 형성되어 있는 하부 지그(320)로 이루어져 있다. 전지셀(100a)은 전극조립체가 전해액과 함께 가변적인 셀 케이스에 내장되어 있는 상태이고, 곡면이 형성될 수 있도록 하부 지그(320)의 오목부(321) 상에 장착되어 있다.
상부 지그(310)를 하부 지그(320) 방향으로 하강시켜 전지셀(100a)을 가압하면, 전지셀(100a)이 휘어지면서 상부 지그(310)와 하부 지그(320)의 형상에 대응하는 곡면이 형성된다.
따라서, 종래와 같이 전극조립체에 직접 열압착을 수행할 때와는 달리, 전극조립체를 가변적인 셀 케이스에 수납하고 전해액 주입 및 초기 충방전을 수행한 상태에서 후처리 공정으로 가압 공정이 수행되므로 전극조립체의 열화를 최소화할 수 있다. 더욱이, 셀 케이스 내부의 전해액이 일종의 가소제로서의 역할을 수행하여, 가압 과정에서 극판들 사이의 계면 마찰력으로 인해 유발되는 응력을 최소화할 수 있어서, 전지셀(100)의 충방전 과정에서 그러한 응력으로 인해 복원되려는 경향을 크게 감소시킬 수 있다.
한편, 가압 공정은 상온에서 수행되는 것이 바람직하지만, 필요에 따라 소정의 열처리 과정을 동반할 수도 있으며, 이를 위해 상부 지그(310) 및/또는 하부 지그(320)의 내부에는 가열 히터(도시하지 않음)가 설치되어 있을 수 있다.
가압 공정 후 지그(310, 320)를 형개하여 전지셀(100)을 취출한 후 절곡 상태가 부분적으로 회복되어 곡률 반경(R)이 만들어질 수 있도록 소정 시간 동안 정치시킨다. 그에 따라, 가압 공정에 의해 전지셀(100)에 가해진 응력이 해소됨으로써 곡면이 안정적으로 유지될 수 있다. 제조된 전지셀(100)은 양측 단부가 상향으로 함께 휘어져 있는 형상을 갖고, 그것의 곡률 반경(R)은 상부 지그(310)의 곡률 반경(r)와 동일하거나 그보다 큰 크기를 가질 수 있다.
도 9에는 본 발명에 따른 전지셀이 장착되어 있는 전지팩이 모식적으로 도시되어 있다.
도 9를 참조하면 전지팩(400)의 팩 케이스는 전지셀와 동일한 형상으로 완만하게 휘어져 곡면을 형성하고 있는 팩 케이스 본체(420)와, 그것의 상단면에 장착되는 상단 캡(410), 및 그것의 하단면에 장착되는 하단 캡(도시되지 않음)으로 이루어져 있다. 상단 캡(410)에는 외부 입출력 단자가 돌출될 수 있도록 홈부(411)가 형성되어 있다.
이와 같이 소정의 곡면이 형성되어 있는 전지팩(400)은 핸드폰 등과 같이 다양한 곡면이 형성된 디자인을 갖는 디바이스에 장착됨으로써 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 있어서, 밀착 구조의 디바이스를 제조할 수 있다. 이에 따라, 소비자의 취향에 따라 다양한 디자인을 갖는 디바이스의 개발이 가능하므로 궁극적으로 제품의 다양화에 기여할 수 있다.
도 10에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 10에 따른 전지셀(500)의 구조는 상술한 도 4 내지 도 6의 전지셀과 유사하나, 셀 케이스(520)의 제 2 면(521)에 보강 부재(530)가 부가되어 있는 점에서 차이가 있다.
이러한 보강 부재(530)는 셀 케이스(520)와 함께 제 2 면(521)의 방향으로 휘어져 있는 바, 전지셀(500)의 휘어진 형상이 복원되려는 것을 방지할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 상대적으로 낮은 인장력이 형성되는 셀 케이스 부위에 외주변이 절곡 및 밀착되어 있는 바, 셀 케이스가 휘어질 때, 또는 휘어진 상태에서 발생되는 인장력이 외주변에 거의 인가되지 않는다. 결과적으로, 외주변의 밀봉 상태가 해제되거나 인장력의 반작용으로 외주변이 원래 형상으로 복원되는 현상이 발생되지 않는 바, 본 발명에 따른 전지셀은 곡면이 형성된 상태에서도 구조 변형이 거의 없다.
본 발명에 따른 전지셀 제조 방법은, 전극조립체 만을 가압하여 곡면을 형성하는 것이 아니라, 셀 케이스에 전극조립체를 장착한 후 전해액을 주입하고 초기 충방전을 수행한 상태에서, 후처리 과정으로 곡면을 형성한다. 따라서, 상대적으로 변형이 적을 뿐만 아니라, 전극조립체에 직접적으로 열이 가해지지 않으므로 그로 인한 열화를 최소화할 수 있다.

Claims (26)

  1. 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 셀 케이스 내부에 수납된 상태로 셀 케이스의 외주변들이 열융착에 의해 밀봉된 구조의 전지셀로서,
    상기 전극조립체와 셀 케이스는, 전지셀의 외면에 곡면이 형성되도록, 서로 대향하는 위치의 양측 단부들이 동일한 방향으로 함께 휘어 있는 구조로 이루어져 있고,
    상기 셀 케이스의 열융착된 외주변들 중에서 적어도 하나의 외주변은 안쪽 면을 이루면서 휘어진 면에 밀착되도록 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 케이스는,
    전지셀의 외면을 이루는 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대 면인 제 2 면, 및 제 1 면과 제 2 면 사이의 측면들; 및
    열융착 밀봉을 위해 상기 측면들과 제 2 면으로부터 외향 연장되어 있는 외주변들;
    을 포함하고 있으며,
    상기 전극조립체와 셀 케이스는 제 2 면의 방향으로 휘어져 있고, 적어도 하나의 외주변이 제 2 면 밀착되도록 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 외주변들은,
    전극조립체의 한 쌍의 전극 단자들 중, 적어도 하나의 전극 단자가 위치하는 제 1 외주변;
    제 1 외주변의 양측 단부로부터 서로 평행하게 연장되어 있는 한 쌍의 제 2 외주변들; 및
    상기 제 1 외주변에 대해 평행하게 제 2 외주변들의 단부 사이에 연장되어 있는 제 3 외주변;
    을 포함하고 있으며,
    상기 제 2 외주변들은 셀 케이스의 제 2 면에 밀착되도록 절곡된 상태로 제 2 면과 함께 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전극조립체와 셀 케이스의 양측 단부가 제 2 면의 방향으로 휘어질 때, 상기 제 2 면에 밀착되어 있는 제 2 외주변들은 셀 케이스가 휘어지는 방향에 대한 반대 방향의 인장력(tension)을 유발하지 않는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 외주변들은 평면상으로 전지셀의 단부를 이루는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 전지셀은,
    휘어진 셀 케이스의 제 2 면 및 상기 제 2 면에 밀착된 제 2 외주변들이 만드는 제 1 곡면;
    휘어진 셀 케이스의 제 1 면이 만드는 제 2 곡면; 및
    셀 케이스의 측면들이 만드는 평면상으로 아치형인 한 쌍의 평탄면들;
    을 포함하며,
    상기 제 1 곡면에서 셀 케이스에 형성된 인장력은 제 2 곡면과 평탄면들에 의해 셀 케이스에 가해지는 인장력 보다 5% 내지 70% 낮은 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 전지셀은 전극조립체의 전극 단자들이 제 1 외주변을 통해 나란히 돌출된 상태로 외주변들이 밀봉된 구조, 또는 상기 전극 단자들이 제 1 외주변과 제 3 외주변을 통해 각각 돌출된 상태로 외주변들이 밀봉된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 3 항에 있어서,
    셀 케이스의 제 1 외주변과 제 3 외주변에 대응하는 전극조립체의 단부들은 셀 케이스의 제 1 외주변 및 제 3 외주변에 대응하여 셀 케이스의 제 2 면의 방향으로 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전극조립체와 셀 케이스는 전지셀의 중심을 기준으로 대칭을 이루도록 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 전극조립체와 셀 케이스는 전지셀의 중심을 기준으로 비대칭을 이루도록 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 전지셀은 10R 내지 200R의 곡률 반경(R) 범위에서 전극조립체와 셀 케이스가 함께 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 곡률 반경(R)은 50R 내지 200R이며, 곡률 반경(R)의 단위는 밀리미터인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 곡률 반경(R)은 20R 내지 50R이고, 곡률 반경(R)의 단위는 센티미터인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 곡률 반경(R)은, 전지셀의 수직 단면을 기준으로, 제 1 곡면에서의 제 1 곡률 반경(R1)과 제 2 곡면에서 제 2 곡률 반경(R2)의 평균인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 복수의 양극과 음극들 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조, 또는 하나 이상의 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층된 복수의 단위셀들이 분리필름에 배열된 상태로 분리필름이 권취된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 가변적인 셀 케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 2 항에 있어서, 상기 셀 케이스는 그것과 전극조립체의 휘어진 형상이 변화하는 것을 방지하기 위한 판 형의 보강 부재가 제 2 면 상에 부가되어 있고,
    상기 보강 부재는 셀 케이스와 함께 제 2 면의 방향으로 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 보강 부재는 상기 제 2 면으로부터 연장되어 있는 적어도 하나의 외주변 상에 추가로 부가되어 있고,
    상기 제 2 면에 밀착되도록 절곡되어 있는 외주변 상에서, 보강부재가 상기 외주변과 함께 제 2 면 방향으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 가변적인 셀 케이스에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입한 상태에서 셀 케이스의 외주변들을 열융착시켜 판상형 셀을 제조하는 과정;
    (b) 상기 외주변들 중에서 서로 대향하는 한 쌍의 제 2 외주변들을 셀 케이스의 제 2 면으로 수평 절곡하여 밀착시키는 과정;
    (c) 곡률 반경(R)보다 작은 곡률 반경(r)의 전지셀 형상이 각인되어 있는 상하 분리형의 지그에 상기 판상형 셀을 장착한 후 가압하는 과정; 및
    (d) 상기 지그를 형개하여 전지셀을 취출한 후, 휘어진 상태가 부분적으로 회복되어 곡률 반경(R)이 만들어질 수 있도록 소정 시간 동안 정치하는 과정;
    을 포함하는 것으로 구성된 전지셀의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 과정(c)은 150 ~ 500 kgF의 압력으로 수행하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 과정(c)은 10 내지 90℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 지그의 내부에는 가열 히터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 가압 과정은 상온에서 수행하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
  24. 제 1 항에 따른 전지셀이, 상기 전지셀과 동일한 형상으로 휘어져 있는 외장재에 장착된 구조의 전지팩.
  25. 제 1 항에 따른 전지셀을 전원으로 사용하는 디바이스.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 디바이스는 모바일 전자기기 또는 웨어러블 전자기기인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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