WO2021045562A1 - 커브드 전기화학 셀 및 그 제조 방법 - Google Patents

커브드 전기화학 셀 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2021045562A1
WO2021045562A1 PCT/KR2020/011943 KR2020011943W WO2021045562A1 WO 2021045562 A1 WO2021045562 A1 WO 2021045562A1 KR 2020011943 W KR2020011943 W KR 2020011943W WO 2021045562 A1 WO2021045562 A1 WO 2021045562A1
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curved
electrochemical cell
exterior material
curvature
radius
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PCT/KR2020/011943
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김주성
임승규
하진홍
이길주
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주식회사 리베스트
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Definitions

  • the present invention relates to a curved electrochemical cell capable of charging and discharging to be provided as a power source for a mobile device or a wearable device.
  • An electrochemical cell refers to a cell that can be provided as a power source by being composed of at least two electrodes and an electrolyte.
  • a lithium-ion battery composed of a secondary cell to enable charging and discharging is smart. It is widely used in various advanced electronic devices including phones.
  • manufacturing an electrochemical cell in a shape that can be embedded in a device having various shapes has become an important technology in that it can relieve the constraints on the design of a device that can be manufactured. In addition, it becomes an important technology in terms of improving device performance and safety by maximizing the use of internal space within a given device design.
  • Patent Document 1 which is a prior art, discloses a curved cell that is curved in a curved shape.
  • a curved cell that is curved in a curved shape.
  • Patent Document 1 discloses a process of forming a curved shape by pressing the cell completed up to the assembly and sealing step in a curved frame (mold). There was a problem in the process. Further, the curved cell manufactured by this process has a problem in that the larger the degree of bending is formed, the more wrinkles are formed in the exterior material, the overall thickness is increased, and the possibility of brittle fracture is increased.
  • Patent Document 1 KR10-1049841 B1 (registered on July 11, 2011)
  • An object of the present invention is to provide a curved electrochemical cell applicable to wearable devices in various areas since the edge side and the opposite edge side for binding and connecting the electrode plate in a laminated electrode assembly are bent asymmetrically to each other. .
  • Another object of the present invention is to provide a curved electrochemical cell in which the edge side for binding the electrode plate and the edge side to which the electrode lead is connected are separately separated, and electrode leads can be variously disposed on the edge side with a different radius of curvature. It is to do.
  • Another object of the present invention is to preform the exterior material to bend in a predetermined shape before the exterior material accommodates the electrode assembly, thereby increasing the thickness due to the occurrence of wrinkles in the exterior material, and cracking and disconnection due to shrinkage and tension of the electrode assembly. It is to provide a method of manufacturing a curved electrochemical cell in which productivity such as suppression can be improved.
  • a curved electrochemical cell includes: an electrode assembly including a plurality of electrodes and electrode tabs formed on the electrodes; An exterior material formed to accommodate the electrode assembly; And an electrode lead connected to the electrode tab and exposed to the outside of the exterior material, wherein a radius of curvature at one end of both ends of the exterior material in a longitudinal direction is greater than a radius of curvature of the other end located opposite the one end. It is formed to be bent to have a small value.
  • the electrode tab of the curved electrochemical cell according to the present invention includes: a parallel connection tab formed to connect the plurality of electrodes to each other; And a lead connection tab formed on at least one of the plurality of electrodes and coupled to the electrode lead, wherein the parallel connection tab is formed on a side facing any one of the one direction and the other direction of the exterior material, and the other The lead connection tab is formed on the side facing one.
  • a method of manufacturing a curved electrochemical cell includes: manufacturing an electrode assembly by stacking a plurality of electrodes; Molding an accommodating portion for accommodating the electrode assembly and a curved shape on an exterior material; And accommodating the electrode assembly to the accommodating portion of the casing formed in the curved shape and sealing the casing.
  • the casing Is molded and sealed so that the radius of curvature at one end of both ends in the longitudinal direction is smaller than the radius of curvature at the other end located opposite to the one end.
  • the curved electrochemical cell according to the present invention is formed to have an asymmetric radius of curvature, it can be applied to a wearable device that is designed to be streamlined and asymmetric according to a human body part. Furthermore, stability can be secured by connecting the electrode tabs to the ends with a large radius of curvature, and the amount of bending of the ends with a small radius of curvature can be increased, thereby easing design constraints of the wearable device.
  • the curved electrochemical cell according to the present invention is configured by separating the parallel connection tab and the lead connection tab, a weak structure may be dispersed or removed, and stress concentration may be relieved. Accordingly, the curved electrochemical cell according to the present invention can be manufactured with a smaller radius of curvature.
  • the electrode lead may be disposed at an end portion having a relatively small radius of curvature compared to the conventional technology, the degree of freedom in position for arranging the curved electrochemical cell on the curved surface inside the wearable device may be increased.
  • the electrode assembly is accommodated in the exterior material and sealed in a curved shape. Accordingly, it is possible to prevent wrinkles from remaining on the exterior of the curved electrochemical cell on which the molding has been completed.
  • defects can be greatly reduced and the cell performance can be stably secured.
  • FIG. 1 is a perspective view of a curved electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an electrode assembly constituting the curved electrochemical cell shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a side view illustrating the curved electrochemical cell shown in FIG. 1 together with a bending area.
  • FIG. 4 is a perspective view of a curved electrochemical cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a curved electrochemical cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 and 5 are views showing an electrode assembly constituting the curved electrochemical cell shown in FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 7 is an exploded view of the electrode assembly shown in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a diagram showing examples in which a curved electrochemical cell according to the present invention is mounted on an inner curved surface of a wearable device.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a curved electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram specifically showing a process of forming the exterior material shown in FIG. 9 into a curved shape.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a curved electrochemical cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram specifically showing a process of forming the electrochemical cell shown in FIG. 11 into a curved shape.
  • FIG. 13 is a table showing the shape and test results of a curved electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.
  • the curved electrochemical cell according to the present invention may be a lithium ion battery.
  • the electrochemical cell according to the present invention may be configured such that the electrode assembly is accommodated and sealed with an electrolyte in the exterior material, and charged and discharged through the movement of lithium ions.
  • the curved electrochemical cell according to the present invention is characterized in that the exterior material is manufactured in a curved state in a predetermined shape.
  • the curved electrochemical cell according to the present invention refers to an electrochemical cell that maintains a curved shape under a condition that no external force is applied by contact. The external force due to contact may be applied after assembly of the electrochemical cell is completed.
  • FIG. 1 is a perspective view of a curved electrochemical cell 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an electrode assembly constituting the curved electrochemical cell shown in FIG. 1.
  • a curved electrochemical cell 100 includes an electrode assembly 110, an exterior material 120, and an electrode lead 130.
  • the electrode assembly 110 may include a plurality of electrodes 111a and 111b and one or more ion conductive electronic insulating layers, and may be formed in a structure in which they are stacked.
  • the electrode may include a first electrode plate 111a and a second electrode plate 111b having different polarities, and an active material is formed on both sides or end surfaces of each of the first electrode plate 111a and the second electrode plate 111b. Can be applied.
  • An ion conductive electronic insulating layer may be interposed between the first electrode plate 111a and the second electrode plate 111b.
  • the ion conductive electronic insulating layer may be a resinous porous film or a polymer matrix composite containing an electrolyte.
  • the first electrode plate 111a is a negative electrode, in which a material such as copper, aluminum, nickel, stainless steel, etc.
  • the second electrode plate 111b is a positive electrode, in which aluminum, nickel, and stainless steel materials partially or entirely constitute a sheet or fibrous current collector, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, and lithium cobalt-manganese.
  • one direction (length direction) of the two directions in which the electrode forms a surface extends longer than the other direction (width direction), and intersects (eg, orthogonal) with the direction forming the surface.
  • Electrodes and ion conductive electronic insulating layers may be alternately stacked with each other in the thickness direction.
  • the electrode assembly 110 includes an electrode tab 113.
  • the electrode tab 113 may have a shape protruding from an end portion in the length direction of the electrode, and electrode tabs 113 formed on electrodes having the same polarity may be coupled to each other.
  • first electrode tabs 113a formed on the first electrode plate 111a may be coupled to each other
  • second electrode tabs 113b formed on the second electrode plate 111b may be coupled to each other.
  • the electrode tabs 113 the current collectors may be electrically connected in parallel, and a plurality of electrodes may be structurally bonded to each other at ends in the longitudinal direction.
  • the electrode tab 113 may be coupled to the electrode lead 130.
  • the exterior material 120 is formed to accommodate the electrode assembly 110.
  • the exterior material 120 may be formed of, for example, a composite film in which one or two or more layers of a polyolefin-based, polyethylene terephthalate-based, polyamide-based, and polyimide-based resin layer and a metal foil layer such as aluminum, stainless steel, and titanium are laminated. have.
  • the exterior material 120 includes an accommodating portion 121 in which the electrode assembly 110 is accommodated, and a sealing portion 122 formed by bonding at least a portion of edges surrounding the accommodating portion 121 to each other, and the sealing portion ( 122), the electrode assembly 110 and the electrolyte may be sealed from the outside.
  • the sealing part 122 may be bent with respect to the receiving part 121.
  • the electrode lead 130 is connected to the electrode assembly 110 inside the exterior material 120 and protrudes to the outside through the edge of the exterior material 120.
  • the electrode lead 130 functions as a terminal for electrical connection with the electrode assembly 110 accommodated in the exterior material 120, and is interposed between the exterior material 120 when the sealing part 122 is formed. Can be bonded together.
  • the electrode tabs 113 provided in the electrode assembly 110 may be respectively coupled to the pair of electrode leads 130 in a state in which the same polarities are bonded to each other.
  • FIG. 3 is a side view illustrating the curved electrochemical cell 100 shown in FIG. 1 along with a bending area A n.
  • a curved shape of the curved electrochemical cell 100 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 3.
  • the exterior material 120 accommodating the electrode assembly 110 is characterized in that it has a curved shape.
  • the exterior material 120 of the present embodiment may be formed to be curved in a curved shape while extending in the longitudinal direction.
  • a radius of curvature at one end of both ends in the longitudinal direction of the exterior material 120 may have a value smaller than a radius of curvature at the other end of the exterior material 120.
  • the electrode tab 113 may be disposed on a side facing the other end of both ends of the exterior material 120 in the longitudinal direction, that is, a side having a relatively large radius of curvature.
  • the electrode tab 113 may be bonded at the other end of the electrode to connect a plurality of electrodes in parallel to each other, and may also be bonded to the electrode lead 130.
  • the curved electrochemical cell 100 according to the exemplary embodiment of the present invention is formed asymmetrically so that both ends in the longitudinal direction have different radius of curvature, so that it can be applied to a wearable device that is designed to be streamlined and asymmetric according to the body part.
  • a cell having a symmetrical shape as in Patent Document 1 and further, a shape having a large radius of curvature at an end thereof, cannot efficiently utilize the space and thus can escape from the constraints in which the energy density cannot be increased.
  • connection portion between the electrode tab and the electrode lead is structurally weak, so that the possibility of fracture is high, and even after being bent, there is a high tendency to restore to the original shape.
  • the electrode tab 113 is formed on the end side having a relatively large radius of curvature to be connected to the electrode lead 130, productivity is reduced by reducing the defect rate due to fracture, etc. Can be improved.
  • the amount of warpage that can be allowed at an end to which the electrode lead is not connected may be increased. That is, the curved electrochemical cell 100 according to the present invention has an advantage that stable quality can be secured even in a shape having a larger amount of warpage (a state with a smaller radius of curvature) than in the prior art. Accordingly, the curved electrochemical cell 100 according to the present invention can be stably mounted on a wearable device that is bent along a body part (eg, neck, wrist, etc.) having a small radius of curvature.
  • a body part eg, neck, wrist, etc.
  • a plurality of bending regions A n may be formed in the exterior material 120 of the curved electrochemical cell 100 according to an embodiment of the present invention.
  • n is a natural number, and may have a value of 1 or more and N-1 or less. That is, N bending regions A n may be formed in the exterior material 120 in parallel in the length direction.
  • N may be a natural number of 2 or more, and for example, five bending regions A 1 , A 2 , A 3 , A 4 A 5 may be formed as shown in FIG. 3.
  • the radius of curvature (r n ) of the n-th bending area (A n ) from one end of the exterior material 120 is n+1-th bending area (A n It may be formed to be less than or equal to the radius of curvature (r n+1 ) of +1 ). Accordingly, as in the present embodiment of FIG. 3, the radius of curvature of the five bending regions (A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , A 5) (r 1 , r 2 , r 3 , r 4 , r 5 ) may be formed to increase sequentially from one end side to the other end side.
  • the exterior material 120 is divided into a plurality of bending regions A n in the longitudinal direction and formed so that the radius of curvature between the bending regions A n is gradually increased, so that the curved electrochemical cell 100 of the present embodiment Silver asymmetric curved shape can be implemented smoothly. Accordingly, deformation of the shape during the use period can be minimized by evenly distributing the stress accompanying the curved electrochemical cell 100 due to the change in the thickness of the electrode layer during charging and discharging. Furthermore, since it is not necessary to apply excessive force to the electrochemical cell 100 to form curving, there is no fear that the weak portions of the electrode assemblies 110 and 210 are damaged, so that stable and uniform quality can be secured.
  • the curved electrochemical cell 100 according to the present embodiment may be formed such that the length (L n ) of the bending region (A n ) is sequentially increased with the sequential increase in the radius of curvature of the bending region (A n ).
  • the curved electrochemical cell 100 according to the present embodiment has an n+1th bending area A n+1 from one end of the casing 120 based on one end.
  • the radius of curvature (r n+1 ) of the n+1th bending area (A n+1) based on one end of the exterior material 120 The ratio (r n+2 /r n+1 ) of the radius of curvature (r n+2 ) of the n+2nd bending area (A n+2 ) from one end is the radius of curvature of the nth bending area (A n ) (r n) may be formed to be greater than or equal to the ratio (r n + 1 / r n) of the radius of curvature (r n + 1) of the (n + 1) th bending zone (a n + 1) from one end to the . That is, from one end to the other end, the increase ratio of the radius of curvature of the bending area A n may increase. In this case, the number of bending regions A n may be 3 or more.
  • the curved electrochemical cell 100 according to the present embodiment is A gradual change in the radius of curvature in the longitudinal direction can be implemented. Accordingly, in the curved electrochemical cell 100 according to the present embodiment, the stress generated due to the thickness change of the electrochemical cell 100 accompanying charging and discharging at a specific point between both ends in the longitudinal direction is localized. It can prevent concentration in the phosphorus area.
  • FIG. 4 is a perspective view of a curved electrochemical cell 200 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a perspective view of a curved electrochemical cell 300 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a view showing an electrode assembly constituting the curved electrochemical cells 200 and 300 shown in FIGS. 4 and 5
  • FIG. 7 is a view showing an exploded view of the electrode assembly 210 shown in FIG. 6. to be.
  • FIGS. 4 to 7 another embodiment and another embodiment of the present invention in which the configuration of the electrode tab is different will be described with reference to FIGS. 4 to 7.
  • the electrode tabs of the curved electrochemical cells 200 and 300 may include a parallel connection tab 213 and a lead connection tab 214.
  • the parallel connection tab 213 may be formed to connect the plurality of electrodes 211a and 211b to each other. Specifically, the parallel connection tabs 213 protrude from the ends of each electrode, and a plurality of parallel connection tabs 213 may be overlapped and bonded to each other.
  • the first electrode tabs 213a formed on the first electrode plate 211a may be coupled to each other
  • the second electrode tabs 213b formed on the second electrode plate 211b may be coupled to each other.
  • the lead connection tab 214 may protrude from at least one end of the plurality of electrodes so as to be coupled to the electrode lead 230.
  • the lead connection tab 214 may be formed to protrude from a pair of electrode plates of an anode and a cathode disposed at the outermost of the plurality of electrodes.
  • a first lead tab 214a may be disposed on the outermost first electrode plate, and a second lead tab 214b may be disposed on the outermost second electrode plate.
  • the ion conductive electronic insulating layer 212 is prepared in the form of a porous film as shown in FIG. 7 so that the first electrode plate 211a and the second electrode plate 211b are in contact with one side and the opposite side, respectively. It can be arranged to be extended in zigzag.
  • the electrode lead 230 is disposed at one end of the exterior material 220, and thus, the lead connection tab 214 of the electrode assembly 210 is the exterior material 220 It may be disposed on the side facing one end of the. That is, the lead connection tab 214 may be formed on one end side having a relatively small radius of curvature, and the parallel connection tab 213 may be formed on the other end side having a relatively large radius of curvature. Or, further referring to FIG. 5, in another embodiment of the present invention, the lead connection tab 214 is disposed on the side facing the other end of the exterior material 320 to be connected to the electrode lead 330, and the exterior material 320 A parallel connection tab 213 may be disposed on the side facing one end of the.
  • the electrode tab is provided with parallel connection tabs 213 and lead connection tabs 214 that are divided and arranged at both ends of the electrode in the longitudinal direction, thereby providing external force applied during curving.
  • the concentration of stress can be alleviated by dispersing. Accordingly, according to the present invention, it is possible to manufacture the curved electrochemical cells 200 and 300 in which the radius of curvature is smaller than that of the conventional technique.
  • the radius of curvature of the side to which the electrode lead 230 is connected may be formed to be smaller (the curvature is large). That is, compared to the electrode tab 113, which is a structurally weak area in the previous embodiment, disposed at an end having a large radius of curvature, in another embodiment of the present invention, the electrode lead 230 is disposed at an end having a small radius of curvature. Arranged design is possible. Accordingly, in the curved electrochemical cell 200 according to the present invention, the constraint condition may be removed when designing a connection part with the driving circuit of the wearable device, and further, it may contribute to weight reduction and structural simplification of the wearable device.
  • the distance ratio in the length direction and the width direction may be 3:1 to 20:1, and the minimum radius of curvature is 100. It can be manufactured in a curved shape to be less than or equal to mm.
  • FIG. 8 is a diagram showing examples in which the curved electrochemical cells 100, 200, and 300 according to the present invention are mounted on an inner curved surface of a wearable device.
  • the curved electrochemical cell of one embodiment (FIG. 1) and another embodiment (FIG. 5) of the present invention 100, 300).
  • the electrode lead 230 may be disposed at the end having a small radius of curvature, as shown in FIG. 8(a) It is possible to design in consideration of both the location where the main circuit module is installed and the overall radius of curvature of the wearable device. Furthermore, as shown in FIGS. 8C and 8D, the curved electrochemical cell 200 according to the present invention may be applied to various positions, directions, and radii of curvature in the wearable device.
  • FIG. 9 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a curved electrochemical cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a diagram specifically illustrating a process of forming the exterior material shown in FIG. 9 into a curved shape
  • 11 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a curved electrochemical cell according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a diagram specifically showing a process of forming the electrochemical cell shown in FIG. 11 into a curved shape.
  • a method of manufacturing a curved electrochemical cell includes a step of manufacturing an electrode assembly (S310), a step of forming a receiving portion and a curved shape in an exterior material (S320), and , And accommodating the electrode assembly in the receiving portion and sealing the exterior material (S330).
  • a plurality of electrodes are stacked to manufacture the electrode assemblies 110 and 210.
  • the first electrode plates 111a and 211a and the second electrode plates 111b and 211b may be alternately stacked, and an ion conductive electronic insulating layer 212 may be disposed between them.
  • the relative sizes of the first electrode plate as the negative electrode and the second electrode plate as the positive electrode may be designed in consideration of a shape formed to be bent in a subsequent process. Specifically, when a lithium ion cell using graphite as a negative electrode active material becomes curved, if the positive electrode active material coating layer is exposed at the edge of the electrode assembly, lithium precipitation occurs during charging, resulting in performance and safety problems. Thus, the size of the electrode plate can be designed.
  • the cup-shaped accommodation part 121 for accommodating the electrode assembly may be formed together, and the exterior material ( 120, 220, 320) can be molded into a curved shape having a cup-shaped receiving portion.
  • the exterior material may be bent to have a radius of curvature based on a center line or a central axis spaced apart from a plane formed in the longitudinal direction and the width direction.
  • the exterior material is inserted between the punch and the die manufactured with a predetermined curvature and the edge of the exterior material is fixed.
  • the punch, die, and support mold may be subjected to the above-described exterior material molding process while being heated to a preset temperature.
  • the molding process may be performed under a condition in which a pressure of 1 to 10 kgf/cm 2 is applied to the exterior material, and a temperature of 30 to 120° C. is applied to the punch, die, and support mold.
  • a pattern that may be formed in the receiving portion may also be formed together in the molding process.
  • the frame is provided with a shape corresponding to the receiving portion and the pattern, and a curved shape and various pattern shapes may be formed with a single press.
  • the step of molding the receiving portion and the curved shape on the exterior material (S320) includes a fixing step (S321) of supporting and fixing at least one end of the exterior material, and a curved shape by pressing the exterior material by a curved frame. It may include a curving step (S322) of molding.
  • the fixing step (S321) at least one end of the exterior material 120 placed on the first holder or die 321' is supported by the first pressing unit or the punch 321, so that the position of the exterior material 120 may be fixed. have. Further, in the curving step (S322), the exterior material may be pressed by a curved frame (the second holder or die 322 ′ and the second pressing unit or punch 322) to form a curved shape.
  • the electrode assembly is accommodated in the exterior material molded in a curved shape to seal the exterior material.
  • an exterior material having a curved shape accommodating the electrode assemblies 110 and 210 may be sealed under reduced pressure.
  • the electrode assembly may be bent according to the shape of the exterior material while being accommodated in the curved exterior material.
  • the exterior material may be sealed by bonding of the sealing portions 122 formed along the edges of the exterior material.
  • the sealing portion is pressed and joined by a frame having a curved shape to be formed, so that the sealing portion can be naturally joined in a curved shape.
  • the radius of curvature at one end of both ends of the casing is one It is molded and sealed to have a value smaller than the radius of curvature of the other end positioned opposite the end. Accordingly, an asymmetric curved shape may be formed in the longitudinal direction.
  • the shape of the exterior material is formed into a curved shape before accommodating the electrode assembly, and further, the exterior material accommodating the electrode assembly may be sealed under a reduced pressure environment in a curved shape. According to this, unlike the conventional method of pressing the cell after assembly and sealing is completed, it is possible to prevent wrinkles from remaining on the exterior of the curved electrochemical cell on which the molding is completed. Accordingly, the curved electrochemical cell manufactured according to the present embodiment has the advantage of being freely mounted in a narrow space such as a wearable device. In addition, in the conventional process of assembling the electrode assembly and pressing the cell after injecting the electrolyte, it is possible to prevent the occurrence of defects in the cell due to physical force.
  • the method of manufacturing a curved electrochemical cell according to the present embodiment may further include a step S340 of additionally forming a curved shape.
  • the electrochemical cell in which the electrode assembly is accommodated in the exterior material molded into a curved shape may be sealed under reduced pressure.
  • the electrochemical cell sealed under reduced pressure may be pressurized to form a more curved shape.
  • pressurization can be performed under preset pressure and temperature conditions, for example, by considering the thickness of the cell, pressurizing by a curved frame under a pressure of 1 to 10 kgf/cm 2 and a temperature of 30 to 120°C.
  • the process can proceed.
  • the step (S340) of additionally forming the curved shape of the present embodiment may be performed in the same process as the step (S430) of forming the curved shape of another embodiment to be described later.
  • the curved electrochemical cell may be formed in stages. For example, for a portion having a relatively small radius of curvature, a curved shape of the exterior material may be secured in advance by molding the exterior material into a curved shape before accommodating the electrode assembly. In addition, a portion where the radius of curvature is relatively large may have a curved shape by forming the sealed electrochemical cell into a curved shape.
  • a method of manufacturing a curved electrochemical cell according to another embodiment of the present invention includes manufacturing an electrode assembly (S410), and accommodating and sealing an electrode assembly in an exterior material. Step S420 and pressurizing the sealed electrochemical cell to form a curved shape (S430).
  • the step (S410) of manufacturing an electrode assembly by stacking electrodes may be performed as in the previous embodiment.
  • the assembled electrode assembly may be accommodated in an exterior material having an accommodating portion formed thereon, and the exterior material may be sealed so that a part of the electrode lead connected to the electrode assembly is exposed to the outside (S420).
  • the electrochemical cell sealed in a state containing the electrode assembly may be formed into a curved shape by pressing (S430).
  • the curved shape of the exterior material may have a radius of curvature at one end of both ends in the longitudinal direction less than a radius of curvature at the other end located opposite the one end.
  • pressing may be performed by a curved frame under a pressure of 1 to 10 kgf/cm 2 and a temperature of 30 to 120° C. in consideration of the thickness of the cell.
  • the step (S430) of forming the curved shape of the electrochemical cell may include a fixing step (S431) and a curving step (S432).
  • the fixing step (S431) at least one end of the exterior material may be supported and fixed.
  • a coupling portion between an electrode tab and an electrode lead which may have relatively weak durability, or one end of an exterior material having a small radius of curvature, is in the thickness direction by the first pressing portion 431. Both sides can be supported.
  • the weaker portion may be supported in consideration of the size of the radius of curvature and the total thickness of the curved electrochemical cell.
  • the first pressing unit 431 may support and fix one end of the exterior material in a curved shape with a preset radius of curvature.
  • the electrochemical cell may be formed into a curved shape while being pressed by a curved frame.
  • the rest of the portion other than the portion supported in the fixing step S431 may be pressed by the second pressing portion 432.
  • the portion pressed and molded by the second pressing portion 432 may be a portion including the other end of the electrochemical cell having a relatively large radius of curvature.
  • 13 is a table showing cell shapes and test results of embodiments of a curved electrochemical cell and a method of manufacturing the same according to the present invention. Referring to FIG. 13, shapes and test results of various embodiments according to the method of manufacturing the curved electrochemical cell and the curved electrochemical cell according to the present invention described above will be described.
  • Ref. 1 to Ref. 3 is a comparative example according to the conventional manufacturing method in which the assembled cell is pressed to form a curved shape. The bending area was divided into three and the radius of curvature and length were designed as shown in the table.
  • Cases 1 to 4 of FIG. 13 correspond to a curved electrochemical cell 100 according to an embodiment of the present invention
  • Cases 5 to 8 are curved according to another embodiment or another embodiment of the present invention.
  • Case 5, Case 6, and Case 8 are curved electrochemical cells 300 according to another embodiment of the present invention
  • Case 7 is a curved electrochemical cell 200 according to another embodiment of the present invention. (For comparison with Case 6, the bending areas are shown in reverse order).
  • Cases 1 to 8 are according to the manufacturing method of a curved electrochemical cell according to an embodiment of the present invention, and after molding the exterior material into a curved shape, the electrode assembly was accommodated and sealed in a curved shape. Furthermore, Case 4 and Case 8 are cases in which the exterior material is pressed once more after sealing to form a curved shape.
  • Cases 1 to 4 are curved electrochemical cells 100 according to an embodiment of the present invention manufactured by a method of manufacturing a curved electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.
  • the voltage is maintained normally even after curving.
  • Cases 5 to 8 which are curved electrochemical cells 200 and 300 in which electrode tabs are distributed to both ends of the exterior material through parallel connection tabs and lead connection tabs, the appearance is good and no defects occur. You can see that it is not. In particular, referring to Cases 5 to 8, it can be seen that it is possible to form a smaller radius of curvature than that of Cases 1 to 4, and to have a larger difference in the radius of curvature of both ends of the exterior material.

Abstract

본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀은, 복수 개의 전극과, 상기 전극에 형성되는 전극탭을 구비하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하도록 형성되는 외장재; 및 상기 전극탭과 연결되고 상기 외장재의 외부로 노출되는 전극 리드를 포함하며, 상기 외장재는 길이 방향으로 양 단부 중 일 단부에서의 곡률 반경이 상기 일 단부의 반대편에 위치하는 타 단부의 곡률 반경보다 작은 값을 갖도록 휘어져 있도록 형성된다.

Description

커브드 전기화학 셀 및 그 제조 방법
본 발명은 충전 및 방전이 가능하여 모바일 디바이스 또는 웨어러블 디바이스의 전원으로 제공될 수 있는 커브드 전기화학 셀에 관한 것이다.
전기화학 셀(electrochemical cell)은 적어도 두 개의 전극, 그리고 전해질로 구성되어 전원으로 제공될 수 있는 셀을 의미하며, 특히, 충전 및 방전이 가능하도록 이차전지(secondary cell)로 구성한 리튬 이온 배터리는 스마트폰을 포함하는 각종 첨단 전자 기기에 널리 사용되고 있다.
아울러, 최근에는 스마트폰을 포함하는 모바일 디바이스의 디자인에 있어 종래 단조로운 형상에서 탈피한 다양한 시도가 이루어지고 있으며, 나아가 각종 웨어러블 디바이스의 설계에 있어 인체공학을 고려한 곡선형의 디자인이 주목받고 있다.
이러한 모바일 및 웨어러블 디바이스의 디자인에 있어, 다양한 형상의 디바이스에 내장될 수 있는 형상으로 전기화학 셀을 제조하는 것은, 제작 가능한 디바이스 디자인에 대한 제약 조건을 완화할 수 있다는 점에서 중요한 기술이 되고 있다. 뿐만 아니라, 정해진 디바이스 디자인 내에서 내부 공간 활용을 극대화함으로써, 디바이스의 성능 및 안전성을 향상시킬 수 있다는 측면에서도 중요한 기술이 된다.
이와 관련하여, 종래 기술인 특허문헌 1은 곡선형으로 휘어져 있는 커브드 셀을 개시한 바 있다. 다만, 이러한 커브드 셀의 설계에 있어, 셀이 반복적인 충방전 과정에서 커브드된 상태가 풀려 복원된다는 이유로 셀의 단부에서 휘어짐 정도를 크게(곡률 반경을 작게) 설계한 제약이 있었다. 또한, 이러한 셀의 단부 등에서의 제약 조건으로 인해 제작할 수 있는 커브드 형상 자체에도 한계가 있었다.
아울러, 특허문헌 1은 조립 및 실링 단계까지 완료된 셀을 휘어진 프레임(금형) 내에서 가압하여 휘어진 형상으로 성형하는 공정을 개시하고 있으나, 이러한 공정에 의해 내구성에 취약한 부분이 파손되는 등으로 불량률이 높아지는 공정 상의 문제점이 있었다. 나아가, 이러한 공정에 의해 제조되는 커브드 셀은 휘어짐 정도를 크게 성형할수록 외장재에 주름이 형성되어 전체 두께가 증가되고, 취성 파괴 가능성이 높아지는 문제점이 있었다.
(특허문헌 1) KR10-1049841 B1 (2011.07.11. 등록)
본 발명의 일 목적은 적층 구조의 전극 조립체에서 전극판을 결속 및 연결하는 모서리 측과 반대편 모서리 측이 서로 비대칭으로 휘어져 있어, 다양한 부위의 웨어러블 기기에 적용 가능한 커브드 전기화학 셀을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 전극판을 결속하는 모서리 측과 전극 리드가 연결되는 모서리 측이 별도로 분리되어, 곡률 반경이 상이한 모서리 측에 전극 리드를 다양하게 배치할 수 있는 커브드 전기화학 셀을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 외장재가 전극 조립체를 수용하기 전에 상기 외장재를 기설정된 형상으로 휘어지도록 미리 성형하여, 외장재의 주름 발생으로 인한 두께 증가 및 전극 조립체의 수축과 인장에 의한 크랙 및 단선을 억제하는 등의 생산성이 향상될 수 있는 커브드 전기화학 셀의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀은, 복수 개의 전극과, 상기 전극에 형성되는 전극탭을 구비하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하도록 형성되는 외장재; 및 상기 전극탭과 연결되고 상기 외장재의 외부로 노출되는 전극 리드를 포함하며, 상기 외장재는 길이 방향으로 양 단부 중 일 단부에서의 곡률 반경이 상기 일 단부의 반대편에 위치하는 타 단부의 곡률 반경보다 작은 값을 갖도록 휘어지게 형성된다.
본 발명의 다른 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀의 상기 전극탭은, 상기 복수 개의 전극을 서로 연결하도록 형성되는 병렬 연결탭; 및 상기 복수 개의 전극 중 적어도 하나에 형성되어 상기 전극 리드에 결합되는 리드 연결탭을 구비하고, 상기 외장재의 상기 일 방향 및 타 방향 중에서, 어느 하나를 향하는 측에 상기 병렬 연결탭이 형성되고, 다른 하나를 향하는 측에 상기 리드 연결탭이 형성된다.
본 발명의 또 다른 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법은, 복수 개의 전극을 적층하여 전극 조립체를 제조하는 단계; 외장재에 상기 전극 조립체를 수용하는 수용부 및 휘어진 형상을 성형하는 단계; 및 상기 휘어진 형상으로 성형된 외장재의 상기 수용부에 상기 전극 조립체를 수용하고 상기 외장재를 봉하는 단계를 포함하며, 상기 수용부 및 휘어진 형상을 성형하는 단계와 상기 외장재를 봉하는 단계에서는, 상기 외장재를 길이 방향으로 양 단부 중 일 단부에서의 곡률 반경이 상기 일 단부의 반대편에 위치하는 타 단부의 곡률 반경보다 작은 값을 갖도록 성형 및 봉한다.
본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀은 비대칭의 곡률 반경을 갖도록 형성됨으로써, 인체 부위에 따라 유선형 및 비대칭으로 디자인되는 웨어러블 디바이스에 적용될 수 있다. 나아가, 곡률 반경이 큰 단부에 전극탭을 연결하여 안정성을 확보하고, 곡률 반경이 작은 단부의 휘어짐 양은 더욱 크게 할 수 있어 웨어러블 디바이스의 설계 제약 조건을 완화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀은 병렬 연결탭 및 리드 연결탭이 분리되어 구성됨으로써, 취약한 구조가 분산 또는 제거되고 응력 집중이 완화될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀은 곡률 반경이 더 작게 제작되는 것이 가능하다. 또한, 종래의 기술과 대비하여 곡률 반경이 상대적으로 작은 단부에도 전극 리드를 배치할 수 있으므로, 커브드 전기화학 셀을 웨어러블 디바이스 내부의 곡면상에 배치할 수 있는 위치 자유도가 높아질 수 있다.
본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법에 의하면, 외장재가 휘어진 형상으로 성형된 후 전극 조립체가 상기 외장재에 수용되어 휘어진 형상으로 밀봉된다. 이에 따르면, 성형이 완료된 커브드 전기화학 셀의 외관에 주름이 남는 것이 방지될 수 있다. 또한, 외장재를 휘어진 형상으로 성형하는 공정을 거치지 않은 상태에서 전극 조립체를 밀봉시킨 후 휘어진 형상으로 성형하는 방식에 비해, 불량이 크게 감소되고 셀의 성능이 안정적으로 확보될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 커브드 전기화학 셀을 구성하는 전극 조립체를 보인 도면이다.
도 3은 도 1에 도시한 커브드 전기화학 셀을 벤딩 영역과 함께 도시한 측면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 사시도이다.
도 6은 도 4 및 5에 도시한 커브드 전기화학 셀을 구성하는 전극 조립체를 보인 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 전극 조립체를 분해하여 보인 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀이 웨어러블 디바이스 내부 곡면에 장착되는 예시들을 보인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 10은 도 9에 도시한 외장재를 휘어진 형상으로 성형하는 공정을 구체적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 12는 도 11에 도시한 전기화학 셀을 휘어진 형상으로 성형하는 공정을 구체적으로 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 형상 및 테스트 결과를 보인 표이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 중간에 다른 부재를 개재하여 연결되어 있는 경우와, 중간에 다른 소자를 사이에 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 나아가, 본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀은 리튬 이온 배터리일 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 전기화학 셀은 전극 조립체가 외장재 내부에 전해액과 함께 수용되어 밀봉되고, 리튬 이온의 이동을 통해 충전 및 방전되도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀은 외장재가 기설정된 형상으로 휘어져 있는 상태로 제조되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀은 접촉에 의한 외력이 가해지지 않는 조건에서 휘어져 있는 형상을 유지하는 전기화학 셀을 의미한다. 접촉에 의한 외력은 전기화학 셀의 조립이 완료된 이후에 가해지는 것일 수 있다. 이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)의 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1에 도시된 커브드 전기화학 셀을 구성하는 전극 조립체를 보인 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은 전극 조립체(110), 외장재(120) 및 전극 리드(130)를 포함한다. 전극 조립체(110)는 복수 개의 전극(111a, 111b) 및 하나 이상의 이온전도성 전자절연층을 포함할 수 있고, 이들이 적층되는 구조로 형성될 수 있다.
전극은 서로 다른 극성의 제1 전극판(111a) 및 제2 전극판(111b)을 포함할 수 있고, 제1 전극판(111a) 및 제2 전극판(111b) 각각의 양면 또는 단면에 활물질이 도포될 수 있다. 제1 전극판(111a)과 제2 전극판(111b)의 사이에는 이온전도성 전자절연층이 개재될 수 있다. 이온전도성 전자절연층은 수지상의 다공성 필름이나 전해질이 함유된 고분자 매트릭스 복합체일 수 있다. 제1 전극판(111a)은 음극으로서, 구리, 알루미늄, 니켈, 스테인리스 스틸 등의 재료가 일부 또는 전부를 구성하는 시트 또는 섬유상의 집전체에, 카본, 흑연, 리튬티탄산화물, 리튬, 실리콘, 실리콘 산화물 등의 실리콘 유도체, 실리콘-흑연 복합체, 주석, 실리콘-주석 복합체 중 하나 또는 그 이상의 조합으로 구성된 활물질 층을 도포하여 제작될 수 있다. 또한 제2 전극판(111b)은 양극으로서, 알루미늄, 니켈, 스테인리스 스틸 재료가 일부 또는 전부를 구성하는 시트 또는 섬유상의 집전체에, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 코발트-니켈 산화물, 리튬 망간-니켈 산화물, 리튬 코발트-니켈-망간 산화물, 리튬 코발트-니켈-알루미늄 산화물, 리튬 인산철 산화물 중 하나 또는 그 이상의 조합으로 구성된 활물질 층을 도포하여 제작될 수 있다.
전극 조립체(110)는, 전극이 면을 형성하는 두 방향 중 일 방향(길이 방향)이 다른 일 방향(폭 방향)보다 길게 연장되고, 면을 형성하는 방향과 교차(예를 들면, 직교)하는 두께 방향으로 전극 및 이온전도성 전자절연층이 서로 교대로 적층되어 구성될 수 있다.
또한, 전극 조립체(110)는 전극탭(113)을 포함한다. 전극탭(113)은 전극의 길이 방향 단부에서 돌출되는 형상을 가질 수 있고, 서로 동일한 극성의 전극에 형성되는 전극탭(113)이 서로 결합될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극판(111a)에 형성되는 제1 전극탭(113a)들이 서로 결합되고, 제2 전극판(111b)에 형성되는 제2 전극탭(113b)들이 서로 결합될 수 있다. 전극탭(113)에 의해, 집전체는 전기적으로 병렬 연결될 수 있고, 복수 개의 전극이 길이 방향 단부에서 서로 구조적으로 결속될 수 있다. 또한, 본 실시예에서 전극탭(113)은 전극 리드(130)에 결합될 수 있다.
한편, 외장재(120)는 전극 조립체(110)를 수용하도록 형성된다. 외장재(120)는 예를 들면, 폴리올레핀계, 폴리에틸렌테레프탈레이트계, 폴리아미드계 및 폴리이미드계 수지층과 알루미늄, 스테인리스 스틸, 티타늄 등의 금속박 층이 하나 또는 2개 이상 라미네이션된 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 외장재(120)는 전극 조립체(110)가 수용되는 수용부(121)와, 수용부(121)를 둘러싸는 모서리 중 적어도 일부분이 서로 접합되어 형성되는 밀봉부(122)를 포함하며, 밀봉부(122)에 의해 전극 조립체(110) 및 전해액을 외부로부터 밀폐시킬 수 있다. 본 실시예에서와 같이, 밀봉부(122)는 수용부(121)에 대해 절곡되어 있을 수 있다.
전극 리드(130)는 외장재(120) 내부의 전극 조립체(110)와 연결되고 외장재(120)의 가장자리 부를 통하여 외부로 돌출된다. 전극 리드(130)는 외장재(120) 내부에 수용되는 전극 조립체(110)와의 전기적 연결을 위한 단자로 기능하며, 밀봉부(122) 형성 시 외장재(120) 사이에 개재되는 상태로 외장재(120)와 함께 접합될 수 있다. 전극 조립체(110)에 구비되는 전극탭(113)은 같은 극성끼리 서로 접합된 상태에서, 한 쌍의 전극 리드(130)와 각각 결합될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시한 커브드 전기화학 셀(100)을 벤딩 영역(An)과 함께 도시한 측면도이다. 이하에서는 도 3을 더 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기 화학 셀(100)의 휘어진 형상에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에서, 전극 조립체(110)를 수용한 외장재(120)는 커브드 형상을 가지는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 본 실시예의 외장재(120)는 길이 방향으로 연장되면서 곡선형으로 휘어져 있도록 형성될 수 있다. 이때, 외장재(120)의 길이 방향의 양 단부 중 일 단부에서의 곡률 반경은 반대편 타 단부에서의 곡률 반경보다 작은 값을 가질 수 있다. 또한, 본 실시예에서 전극탭(113)은 길이 방향으로 외장재(120)의 양 단부 중 타 단부를 향하는 측, 즉, 상대적으로 곡률 반경이 큰 측에 배치될 수 있다. 전극탭(113)은 전극의 타 단부에서 복수의 전극을 서로 병렬 연결하도록 접합되고, 또한, 전극 리드(130)와 접합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은 길이 방향의 양 단부가 서로 다른 곡률 반경을 갖도록 비대칭으로 형성됨으로써, 인체 부위에 따라 유선형 및 비대칭으로 디자인되는 웨어러블 디바이스에 적용될 수 있다. 특히, 종래 특허문헌 1과 같이 대칭적인 형상을 가지고, 나아가, 단부에서 곡률 반경이 크게 설계되는 형상의 셀이 공간을 효율적으로 활용하지 못하여 에너지 밀도를 높이지 못하였던 제약 조건에서 탈피할 수 있다.
나아가, 전기화학 셀에서, 전극탭과 전극 리드의 연결 부위는 구조적으로 취약하여 파단의 가능성이 높고, 휘어지게 가공한 후에도 원래의 형상으로 복원하려는 경향이 큰 위치가 될 수 있다. 본 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은 상대적으로 곡률 반경이 큰 단부 측에 전극탭(113)이 형성되어 전극 리드(130)와 연결되므로, 파단 등으로 인한 불량률을 감소함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은 전극 리드가 연결되지 않는 단부에서 허용될 수 있는 휘어짐 양이 증대될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은, 종래보다 휘어짐 양이 더 큰 형상(곡률 반경이 더 작은 상태)에서도 안정적인 품질이 확보될 수 있는 이점이 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은 곡률 반경이 작은 신체 부위(예를 들면, 목, 팔목 등)를 따라 휘어진 웨어러블 디바이스에도 안정적으로 장착 가능하게 된다.
이하에서는 길이 방향으로 비대칭의 곡률 반경을 안정적이고 용이하게 형성할 수 있는 커브드 형상의 구체적인 구성에 대해 설명한다
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)의 외장재(120)에는 복수 개의 벤딩 영역(An)이 형성될 수 있다. 여기서, n은 자연수이고, 1 이상 N-1 이하의 값을 가질 수 있다. 즉, 외장재(120)에는 N개의 벤딩 영역(An)이 길이 방향으로 나란하게 형성될 수 있다. 이때, N은 2 이상의 자연수일 수 있고, 예를 들면, 도 3에서와 같이 5개의 벤딩 영역(A1, A2, A3, A4 A5)이 형성될 수 있다.
그리고, 본 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은, 외장재(120)의 일 단부로부터 n번째 벤딩 영역(An)의 곡률 반경(rn)이 n+1번째 벤딩 영역(An+1)의 곡률 반경(rn+1)보다 작거나 같도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 도 3의 본 실시예에서와 같이, 5개의 벤딩 영역(A1, A2, A3, A4, A5)의 곡률 반경(r1, r2, r3, r4, r5)이 일 단부 측으로부터 타 단부 측으로 갈수록 순차적으로 증가되도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 외장재(120)가 길이 방향으로 복수 개의 벤딩 영역(An)으로 구획되고 벤딩 영역(An) 간의 곡률 반경이 점진적으로 증대되도록 형성됨으로써, 본 실시예의 커브드 전기화학 셀(100)은 비대칭적인 커브드 형상이 부드럽게 구현될 수 있다. 따라서, 충전 및 방전시 전극층의 두께 변화에 의해 커브드 전기화학 셀(100)에 수반되는 응력을 고르게 분산시켜 줌으로써 사용기간동안 형상의 변형이 최소화될 수 있다. 나아가, 커빙을 형성하기 위해 전기화학 셀(100)에 과도한 힘을 가하지 않아도 되므로 전극 조립체(110, 210)의 취약부가 손상될 염려가 없어 안정적이고 균일한 품질의 확보가 가능하다.
또한, 본 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은, 벤딩 영역(An)의 순차적인 곡률 반경 증가와 함께 벤딩 영역(An)의 길이(Ln)가 순차적으로 증가되도록 형성될 수 있다. 즉, 도 3에 도시한 것과 같이, 본 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은, 외장재(120)의 일 단부를 기준으로, 일 단부로부터 n+1번째 벤딩 영역(An+1)의 길이(Ln+1)가 일 단부로부터 n번째 벤딩 영역(An)의 길이(Ln)보다 크거나 같도록 형성될 수 있다(n은 자연수이고, 1≤n≤N-1).
나아가, 본 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)에서, 외장재(120)의 일 단부를 기준으로 n+1번째 벤딩 영역(An+1)의 곡률 반경(rn+1)에 대한 일 단부로부터 n+2번째 벤딩 영역(An+2)의 곡률 반경(rn+2)의 비(rn+2/rn+1)는, n번째 벤딩 영역(An)의 곡률 반경(rn)에 대한 일 단부로부터 n+1번째 벤딩 영역(An+1)의 곡률 반경(rn+1)의 비(rn+1/rn)보다 크거나 같도록 형성될 수 있다. 즉, 일 단부로부터 타 단부로 갈수록, 벤딩 영역(An)의 곡률 반경의 증가비가 커질 수 있다. 이때, 벤딩 영역(An)의 개수는 3 이상일 수 있다.
이상에서와 같이, 벤딩 영역(An)의 길이가 증가되거나, 벤딩 영역(An)의 곡률 반경의 증가 비율이 증가되는 구성에 의해, 본 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은 길이 방향으로의 점진적인 곡률 반경의 변화가 구현될 수 있다. 이에 의해, 본 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)은 길이 방향으로의 양 단부 사이의 특정 지점에 충전 및 방전으로 수반되는 전기화학 셀(100)의 두께 변화로 인해 발생하는 응력이 국부적인 영역에 집중되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(200)의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(300)의 사시도이다. 또한, 도 6은 도 4 및 5에 도시한 커브드 전기화학 셀(200, 300)을 구성하는 전극 조립체를 보인 도면이며, 도 7은 도 6에 도시된 전극 조립체(210)를 분해하여 보인 도면이다. 이하에서는 도 4 내지 7을 참조하여 전극탭의 구성을 달리한 본 발명의 다른 실시예 및 또 다른 실시예에 대하여 설명한다.
먼저 도 6 및 7을 참조하면, 본 실시예들에 따른 커브드 전기화학 셀(200, 300)의 전극탭은 병렬 연결탭(213) 및 리드 연결탭(214)을 포함할 수 있다. 병렬 연결탭(213)은 복수 개의 전극(211a, 211b)을 서로 연결하도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 병렬 연결탭(213)은 각 전극의 단부에서 돌출되어, 복수 개의 병렬 연결탭(213)이 서로 겹쳐져 접합될 수 있다. 이때, 제1 전극판(211a)에 형성되는 제1 전극탭(213a)들이 서로 결합되고, 제2 전극판(211b)에 형성되는 제2 전극탭(213b)들이 서로 결합될 수 있다.
리드 연결탭(214)은 전극 리드(230)에 결합되도록 복수 개의 전극 중 적어도 하나의 단부에서 돌출될 수 있다. 본 실시예들에서 리드 연결탭(214)은 복수 개의 전극 중 최외곽에 배치되는 양극과 음극의 전극판 한 쌍으로부터 돌출되도록 형성될 수 있다. 최외곽의 제1 전극판에 제1 리드탭(214a), 최외곽의 제2 전극판에 제2 리드탭(214b)이 각각 배치될 수 있다. 한편, 이온전도성 전자절연층(212)은 도 7에 보인 것과 같이 다공성 필름 형태로 준비되어, 일 면과 그 반대쪽 면에 각각 제1 전극판(211a) 및 제2 전극판(211b)이 접하도록 지그재그로 연장되게 배치할 수 있다.
도 4를 더 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서는 외장재(220)의 일 단부에 전극 리드(230)가 배치되며, 따라서, 전극 조립체(210)의 리드 연결탭(214)은 외장재(220)의 일 단부를 향하는 측에 배치될 수 있다. 즉, 리드 연결탭(214)이 곡률 반경이 상대적으로 작은 일 단부 측에 형성될 수 있고, 병렬 연결탭(213)은 곡률 반경이 상대적으로 큰 타 단부 측에 형성될 수 있다. 또는, 도 5를 더 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 리드 연결탭(214)이 외장재(320)의 타 단부를 향하는 측에 배치되어 전극 리드(330)와 연결되고, 외장재(320)의 일 단부를 향하는 측에 병렬 연결탭(213)이 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예 및 또 다른 실시예에 의하면, 전극탭이 길이 방향으로 전극의 양 단부에 나뉘어 배치되는 병렬 연결탭(213) 및 리드 연결탭(214)을 구비함으로써, 커빙시 가해지는 외력을 분산시켜 응력이 집중되는 것이 완화할 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따르면, 곡률 반경이 종래의 기술보다 더 작게 형성되는 커브드 전기화학 셀(200, 300)을 제작할 수 있게 된다.
나아가, 도 4의 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 전극 리드(230)가 연결되는 측의 곡률 반경이 더 작게(휘어짐이 크게) 형성될 수 있다. 즉, 앞선 일 실시예에서 구조적으로 취약한 부위가 되는 전극탭(113)을 곡률 반경이 큰 단부에 배치한 것과 비교하여, 본 발명의 다른 실시예에서는 곡률 반경이 작은 단부에 전극 리드(230)가 배치되는 설계가 가능하다. 이에 따라, 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀(200)은 웨어러블 디바이스의 구동회로와의 연결부 설계 시 제약 조건이 제거될 수 있고, 더 나아가 웨어러블 디바이스의 경량화 및 구조적 단순화에 기여할 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이 휘어진 형상에 대한 제약 조건이 완화되는 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀은, 길이 방향과 폭 방향으로의 거리 비가 3:1 내지 20:1일 수 있고, 최소 곡률 반경이 100 mm 이하가 되도록 휘어진 형상으로 제작할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀(100, 200, 300)이 웨어러블 디바이스 내부 곡면에 장착되는 예시들을 보인 도면이다. 도 8의 (b)와 같은 배치는, 웨어러블 디바이스 자체의 디자인(곡률 반경)을 고려하여, 본 발명의 일 실시예(도 1) 및 또 다른 실시예(도 5)의 커브드 전기화학 셀(100, 300)에 의해 구현될 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예(도 4)의 커브드 전기화학 셀(200)에 의하면, 곡률 반경이 작은 단부에 전극 리드(230)가 배치될 수 있으므로, 도 8의 (a)와 같이 메인 회로 모듈이 설치되는 위치와 웨어러블 디바이스의 전체적인 곡률 반경을 모두 고려한 설계가 가능하다. 나아가, 도 8의 (c) 및 (d)에 도시한 것과 같이, 웨어러블 디바이스 내의 다양한 위치, 방향 및 곡률 반경에 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀(200)이 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법을 도시한 순서도이고, 도 10은 도 9에 도시한 외장재를 휘어진 형상으로 성형하는 공정을 구체적으로 도시한 도면이다. 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법을 도시한 순서도이다. 또한, 도 12는 도 11에 도시한 전기화학 셀을 휘어진 형상으로 성형하는 공정을 구체적으로 도시한 도면이다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법은, 전극 조립체를 제조하는 단계(S310)와, 외장재에 수용부 및 휘어진 형상을 성형하는 단계(S320)와, 수용부에 전극 조립체를 수용하고 외장재를 봉하는 단계(S330)를 포함한다.
전극 조립체를 제조하는 단계(S310)에서는 복수 개의 전극이 적층되어 전극 조립체(110, 210)가 제조된다. 제1 전극판(111a, 211a)과 제2 전극판(111b, 211b)이 교대로 적층될 수 있고, 사이사이에 이온전도성 전자절연층(212)이 배치될 수 있다.
이때, 음극인 제1 전극판과 양극인 제2 전극판의 상대적인 크기는 이후의 공정에서 휘어지게 성형되는 형상을 고려하여 설계될 수 있다. 구체적으로, 흑연을 음극활물질로 사용하는 리튬이온 셀이 휘어진 형상이 되었을 때, 전극 조립체 가장자리에서 양극활물질 코팅층이 노출되게 되면 충전 중 리튬 석출이 발생하면서 성능 및 안전성에 문제가 발생하는데, 이를 미리 고려하여 전극판의 크기를 설계할 수 있다.
외장재에 수용부 및 휘어진 형상을 성형하는 단계(S320)에서는, 전극 조립체를 수용하는 컵 형상의 수용부(121)가 함께 형성될 수 있으며, 펀치와 다이 및 지지부로 구성된 금형틀을 이용하여 외장재(120, 220, 320)를 컵 형상의 수용부를 지닌 휘어진 형상으로 성형할 수 있다. 외장재는 길이 방향과 폭 방향이 형성하는 평면으로부터 이격되어 있는 중심선 또는 중심축을 기준으로 곡률 반경을 가지도록 휘어질 수 있다. 외장재의 휘어진 형상으로 성형을 위하여, 기설정된 곡률로 제작된 펀치와 다이 사이에 외장재를 넣고 외장재의 가장자리 부를 고정시킨다. 이 상태에서 펀치로 외장재를 눌러주면 펀치와 다이 사이의 경계에서 외장재가 인장되면서 형상 변형이 시작될 수 있다. 이후, 펀치의 형상에 따라 외장재의 변형이 발생하게 되고 다이 내부에 장착한 지지금형이 펀치의 하강에 제동을 걸면서 펀치 형상에 따른 외장재의 휘어짐이 형성될 수 있게 된다. 이때, 펀치, 다이 및 지지금형은 기설정된 온도로 가열된 상태에서 상기의 외장재 성형 공정이 수행될 수도 있다. 예를 들면, 셀의 두께를 고려하여 외장재에 1 ~ 10 kgf/cm2의 압력, 펀치, 다이 및 지지금형에 30 ~ 120℃의 온도를 가한 조건에서 성형 공정이 진행될 수 있다.
또한, 수용부에 형성될 수 있는 패턴(예를 들면, 요철 패턴, 주름 패턴 등)도 상기 성형 공정에서 함께 형성될 수 있다. 이를 위하여, 프레임에는 수용부와 패턴에 대응되는 형상이 마련되며, 커브드 형상과 각종 패턴 형상이 한번의 가압에 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 외장재에 수용부 및 휘어진 형상을 성형하는 단계(S320)는, 외장재의 적어도 일 단부를 지지하여 고정시키는 고정 단계(S321)와, 외장재를 곡면의 프레임에 의해 가압하여 휘어진 형상을 성형하는 커빙 단계(S322)를 포함할 수 있다.
고정 단계(S321)에서는 제1 홀더 또는 다이(321')에 놓여진 외장재(120)의 적어도 일 단부가 제1 가압부 또는 펀치(321)에 의해 지지되어, 외장재(120)의 위치가 고정될 수 있다. 그리고, 커빙 단계(S322)에서는 곡면의 프레임(제2 홀더 또는 다이(322') 및 제2 가압부 또는 펀치(322))에 의해, 외장재가 가압되어 휘어진 형상으로 성형될 수 있다.
수용부에 전극 조립체를 수용하고 외장재를 봉하는 단계(S330)에서는, 전극 조립체가 휘어진 형상으로 성형된 외장재 내부에 수용되어 외장재가 밀봉된다. 구체적으로, 전극 조립체(110, 210)를 수용한 휘어진 형상을 갖는 외장재가 감압 밀봉될 수 있다. 전극 조립체는 휘어진 형상의 외장재에 수용되면서, 외장재의 형상에 맞추어 벤딩될 수 있다. 외장재는 외장재의 모서리를 따라 형성되는 밀봉부(122)의 접합에 의해 밀봉될 수 있다. 특히, 실링부의 접합을 위해, 성형하고자 하는 커브드 형상을 가지는 프레임에 의해 실링부가 가압 및 접합됨으로써, 실링부가 자연스럽게 커브드 형상으로 접합될 수 있다.
이상의 외장재에 수용부 및 휘어진 형상을 성형하는 단계(S320)와 수용부에 전극 조립체를 수용하고 외장재를 봉하는 단계(S330)에서, 외장재를 길이 방향으로 양 단부 중 일 단부에서의 곡률 반경이 일 단부의 반대편에 위치하는 타 단부의 곡률 반경보다 작은 값을 갖도록 성형 및 봉하게 된다. 이에 따라, 길이 방향으로 비대칭의 커브드 형상이 성형될 수 있다.
본 실시예의 커브드 전기화학 셀의 제조 방법에 의하면, 전극 조립체를 수용하기 전에 외장재의 형상이 휘어진 형상으로 성형되고, 나아가, 전극 조립체를 수용한 외장재가 휘어진 형상으로 감압 환경하에서 밀봉될 수 있다. 이에 따르면, 조립 및 밀봉 완료 후 셀을 가압하는 종래 방식과 달리, 성형이 완료된 커브드 전기화학 셀의 외관에 주름이 남는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 의해 제조되는 커브드 전기화학 셀은 웨어러블 디바이스 등의 협소한 공간에 자유롭게 장착되는 용이점이 있다. 또한, 전극 조립체의 조립 및 전해액의 주입 후 셀을 가압하는 종래 과정에서, 물리적인 힘에 의해 셀에 불량이 발생하는 것을 예방할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법은, 휘어진 형상을 추가 성형하는 단계(S340)를 더 포함할 수 있다. 앞선 단계에서, 휘어진 형상으로 성형된 외장재에 전극 조립체가 수용된 전기화학 셀은 감압 밀봉될 수 있다. 그리고, 휘어진 형상을 추가 성형하는 단계에서, 감압 밀봉된 전기화학 셀을 가압하여 더 휘어진 형상을 성형할 수 있다. 이때, 기설정된 압력 및 온도 조건에서 가압이 이루어질 수 있고, 예를 들면, 셀의 두께를 고려하여 1 ~ 10 kgf/cm2의 압력, 30 ~ 120℃의 온도 조건에서 휘어진 형상의 프레임에 의해 가압 공정이 진행될 수 있다. 본 실시예의 휘어진 형상을 추가 성형하는 단계(S340)는, 후술하는 다른 실시예의 휘어진 형상을 성형하는 단계(S430)와 동일한 공정으로 진행될 수 있다.
휘어진 형상을 추가 성형하는 단계(S340)가 부가됨으로써, 커브드 전기화학 셀의 성형이 단계적으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 곡률 반경이 상대적으로 작게 형성되는 부위에 대해서는, 전극 조립체 수용 전 외장재를 휘어진 형상으로 성형하는 단계에 의해 미리 외장재의 커브드 형상을 확보할 수 있다. 그리고, 곡률 반경이 상대적으로 크게 형성되는 부위는 밀봉된 전기화학 셀을 휘어진 형상으로 성형하는 단계에 의해 커브드 형상이 성형될 수 있다. 이러한 단계적인 성형 과정에 의해, 제조 과정에서 전기화학 셀에 가해지는 힘과 온도 등에 의한 불량 발생이 억제될 수 있다.
다른 한편으로, 도 11 및 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법은, 전극 조립체를 제조하는 단계(S410)와, 외장재에 전극 조립체를 수용하여 봉하는 단계(S420)와, 밀봉된 전기화학 셀을 가압하여 휘어진 형상을 성형하는 단계(S430)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 전극을 적층하여 전극 조립체를 제조하는 단계(S410)는 앞선 일 실시예와 같이 수행될 수 있다. 그리고, 조립된 전극 조립체는 수용부가 형성되어 있는 외장재에 수용되고, 전극 조립체와 연결되는 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 외장재가 밀봉될 수 있다(S420).
아울러, 전극 조립체를 수용한 상태로 봉해진 전기화학 셀은 가압에 의해 휘어진 형상으로 성형될 수 있다(S430). 이때, 외장재의 커브드 형상은, 길이 방향 양 단부 중 일 단부에서의 곡률 반경이 상기 일 단부의 반대편에 위치하는 타 단부의 곡률 반경보다 작은 값을 가질 수 있다. 밀봉된 전기화학 셀을 휘어진 형상으로 성형하기 위하여, 셀의 두께를 고려하여 1 ~ 10 kgf/cm2의 압력, 30 ~ 120℃의 온도 조건에서 휘어진 형상의 프레임에 의해 가압이 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 전기화학 셀의 휘어진 형상을 성형하는 단계(S430)는, 고정 단계(S431) 및 커빙 단계(S432)를 포함할 수 있다. 고정 단계(S431)에서는 외장재의 적어도 일 단부가 지지되어 고정될 수 있다. 도 12를 참조하면, 고정 단계(S431)에서는 상대적으로 내구성이 취약할 수 있는 전극탭과 전극 리드의 결합부, 또는 곡률 반경이 작은 외장재의 일 단부가 제1 가압부(431)에 의해 두께 방향으로 양 면이 지지될 수 있다. 곡률 반경이 큰 타 단부에 전극 리드가 결합되는 경우에는 곡률 반경의 크기와 커브드 전기화학 셀의 전체 두께 등을 고려하여, 더 취약한 부분을 지지할 수 있다. 또는, 제1 가압부(431)는 기설정된 곡률 반경을 가져 외장재의 일 단부를 커브드 형상으로 지지 및 고정할 수 있다.
커빙 단계(S432)에서는 곡면의 프레임에 의해 가압되면서 전기화학 셀이 휘어진 형상으로 성형될 수 있다. 도 12를 참조하면, 커빙 단계(S432)에서는 고정 단계(S431)에서 지지되는 부분 이외의 나머지 부분이 제2 가압부(432)에 의해 가압될 수 있다. 제2 가압부(432)에 의해 가압 및 성형되는 부위는, 상대적으로 곡률 반경이 큰 전기화학 셀의 타 단부를 포함하는 부위일 수 있다. 도 13은 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀 및 그 제조 방법의 실시예들의 셀 형상 및 테스트 결과를 보인 표이다. 도 13을 참조하여, 앞서 설명한 본 발명에 따른 커브드 전기화학 셀과 커브드 전기화학 셀의 제조 방법에 따른 다양한 실시예들의 형상 및 테스트 결과에 대해 설명한다.
도 13은 길이 120 mm, 폭 14 mm, 두께 3 mm의 규격을 가지는 전기화학 셀을 기준으로 한 셀 형상 및 테스트 결과이다. 또한, 도 13의 Ref. 1 내지 Ref. 3은 조립이 완료된 셀을 가압하여 커브드 형상을 성형한 종래 제조 방법에 의한 비교예들이다. 벤딩 영역을 세 개로 나누어 곡률 반경 및 길이를 표와 같이 설계하였다.
도 13의 Case 1 내지 Case 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)에 해당하며, Case 5 내지 Case 8은 본 발명의 다른 실시예 또는 또 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(200, 300)에 해당한다. 구체적으로, Case 5, Case 6 및 Case 8이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(300)이며, Case 7이 본 발명의 다른 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(200)이다(Case 6과 비교를 위해 벤딩 영역을 역순으로 나타냄).
또한, Case 1 내지 Case 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법에 의한 것으로, 외장재를 휘어진 형상으로 성형한 뒤에 전극 조립체를 수용하고 휘어진 형상으로 밀봉한 것이다. 나아가, Case 4 및 Case 8은 밀봉 후 외장재를 한 차례 더 가압하여 휘어진 형상으로 성형한 경우이다.
먼저, 조립 및 밀봉이 완료된 셀을 가압하여 커브드 형상을 성형(커빙)한 비교예들을 참조하면, 통상의 출하조건인 SoC(Stand of Charge) 30%인 상태에서 커빙을 실시하였을 때, 모든 비교예에서 커빙 후 전압이 정상적으로 나오지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는, 전극탭 또는 전극탭과 전극 리드의 결합 부분이 파단됨에 따른 것으로 확인되었다. 또한, 커빙 후에 불량이 발생된 셀이 다수 존재하고, 외장재 주름이 허용 기준 이상으로 크게 나타난 것을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀의 제조 방법에 의해 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 커브드 전기화학 셀(100)인 Case 1 내지 Case 4를 참조하면, 커빙 및 제조를 완료한 커브드 전기화학 셀의 외관 주름 상태가 양호하고 불량이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다. 특히, Case 4를 참조하면, 커빙 후에도 전압이 정상적으로 유지되고 있는 것을 확인할 수 있다.
나아가, 전극탭이 병렬 연결탭과 리드 연결탭으로 외장재의 양 단부에 분배되는 커브드 전기화학 셀(200, 300)인 Case 5 내지 Case 8을 참조하면, 마찬가지로 외관 상태가 양호하고 불량이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다. 특히, Case 5 내지 Case 8을 참조하면, Case 1 내지 Case 4에 비해 곡률 반경을 더 작게, 외장재의 양 단부 곡률 반경의 차이가 더 크게 성형하는 것이 가능함을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 커브드 전기화학 셀에 있어서,
    복수 개의 전극과, 상기 전극에 형성되는 전극탭을 구비하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하도록 형성되는 외장재; 및
    상기 전극탭과 연결되고 상기 외장재의 외부로 노출되는 전극 리드를 포함하며,
    상기 외장재는 길이 방향으로 양 단부 중 일 단부에서의 곡률 반경이 상기 일 단부의 반대편에 위치하는 타 단부의 곡률 반경보다 작은 값을 갖도록 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 커브드 전기화학 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭은 상기 외장재의 상기 타 단부를 향하는 측에 상기 복수 개의 전극을 서로 연결하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 커브드 전기화학 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외장재에는 상기 길이 방향으로 나란하게 배치되는 N개의 벤딩 영역이 형성되고(N은 2 이상의 자연수),
    상기 일 단부로부터 n번째 벤딩 영역의 곡률 반경(rn)은 상기 일 단부로부터 n+1번째 벤딩 영역의 곡률 반경(rn+1)보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 커브드 전기화학 셀(n은 자연수이고, 1≤n≤N-1).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 일 단부로부터 상기 타 단부로 향하는 방향으로, 상기 n+1번째 벤딩 영역의 길이는 상기 n번째 벤딩 영역의 길이보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 커브드 전기화학 셀.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 N은 3 이상의 자연수이고,
    상기 n+1번째 벤딩 영역의 곡률 반경(rn+1)에 대한 n+2번째 벤딩 영역의 곡률 반경(rn+2)의 비는, 상기 n번째 벤딩 영역의 곡률 반경(rn)에 대한 상기 일 단부로부터 n+1번째 벤딩 영역의 곡률 반경(rn+1)의 비보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 커브드 전기화학 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭은,
    상기 복수 개의 전극을 서로 연결하도록 형성되는 병렬 연결탭; 및
    상기 복수 개의 전극 중 적어도 하나에 형성되어 상기 전극 리드에 결합되는 리드 연결탭을 구비하고,
    상기 외장재의 상기 일 단부 및 타 단부 중에서, 어느 하나를 향하는 측에 상기 병렬 연결탭이 형성되고, 다른 하나를 향하는 측에 상기 리드 연결탭이 형성되는 것을 특징으로 하는 커브드 전기화학 셀.
  7. 커브드 전기화학 셀의 제조 방법에 있어서,
    복수 개의 전극을 적층하여 전극 조립체를 제조하는 단계;
    외장재에 상기 전극 조립체를 수용하는 수용부 및 휘어진 형상을 성형하는 단계; 및
    상기 휘어진 형상으로 성형된 외장재의 상기 수용부에 상기 전극 조립체를 수용하고 상기 외장재를 봉하는 단계를 포함하며,
    상기 수용부 및 휘어진 형상을 성형하는 단계와 상기 외장재를 봉하는 단계에서는, 상기 외장재를 길이 방향으로 양 단부 중 일 단부에서의 곡률 반경이 상기 일 단부의 반대편에 위치하는 타 단부의 곡률 반경보다 작은 값을 갖도록 성형 및 봉하는 것을 특징으로 하는 커브드 전기화학 셀의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 휘어진 형상으로 성형된 외장재에 전극 조립체가 수용되어 봉해진 전기화학 셀을 가압하여 휘어진 형상을 추가 성형하는 단계를 더 포함하는 커브드 전기화학 셀의 제조 방법.
  9. 커브드 전기화학 셀의 제조 방법에 있어서,
    복수 개의 전극을 적층하여 전극 조립체를 제조하는 단계;
    외장재에 상기 전극 조립체를 수용하고, 상기 전극 조립체와 연결되는 전극 리드의 일부가 상기 외장재의 외부로 노출되도록 상기 외장재를 봉하는 단계; 및
    상기 전극 조립체를 수용한 상태로 봉해진 전기화학 셀을 가압하여 휘어진 형상을 성형하는 단계를 포함하며,
    상기 휘어진 형상으로 성형하는 단계에서는, 상기 외장재를 길이 방향으로 양 단부 중 일 단부에서의 곡률 반경이 상기 일 단부의 반대편에 위치하는 타 단부의 곡률 반경보다 작은 값을 갖도록 성형하는 것을 특징으로 하는 커브드 전기화학 셀의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 휘어진 형상을 성형하는 단계는,
    상기 외장재의 적어도 일 단부를 지지하여 고정시키는 고정 단계; 및
    상기 외장재를 곡면의 프레임에 의해 가압하여 휘어진 형상을 성형하는 커빙 단계를 포함하는 커브드 전기화학 셀의 제조 방법.
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