WO2021251569A1 - 보호부재를 포함하는 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2개 이상의 단위 적층체들이 서로 간에 직렬 연결 또는 병렬 연결로 결합되어 있는 전극조립체, 상기 전극조립체를 내부에 수용하는 전지케이스, 및 상기 단위 적층체들의 전극탭부를 보호하기 위한 절연성의 보호부재를 포함하고, 상기 전지케이스는 전폭길이 대비 전장길이가 3배 이상인 형태이며, 상기 전지케이스의 외측으로 연장되는 양극리드 및 음극리드는 서로 반대 방향으로 돌출되는 전지셀에 대한 것으로서, 길이가 긴 형태의 전지셀을 구현하기 위하여 복수의 단위 적층체들을 사용하고, 상기 복수의 단위 적층체들이 연결되는 연결부를 보강하여 안전성이 향상된 전지셀을 제공한다. (대표도) 도 1

Description

보호부재를 포함하는 전지셀
본 출원은 2020년 6월 8일자 한국 특허 출원 제 2020-0069119 호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본원 발명은 보호부재를 포함하는 전지셀에 대한 것으로서, 구체적으로, 전지케이스 내부에 2개 이상의 단위 적층체들로 구성된 전극조립체를 수용하고, 상기 단위 적층체들의 전극탭부를 보호하기 위한 절연성의 보호부재를 포함하는 전지셀에 대한 것이다.
충방전이 가능한 리튬 이차전지는 전지셀의 교체가 불필요하기 때문에 내장형 전지셀로 사용하기에 적절하며, 안정성 향상과 용량 증가가 빠르게 이루어지고 있는 바, 다양한 디바이스에 적용되고 있다.
예를 들어, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 신체에 착용하는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 대기 오염을 유발하는 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로도 사용되고 있다.
그 중에서도, 휴대전화와 같이 두께가 얇은 디바이스에 사용되거나 전기자동차와 같이 고출력 고용량의 전지셀들을 전기자동차의 바닥에 배치하는 리튬 이차전지의 경우에는, 두께가 얇고 평면상 넓이가 넓거나 전폭 대비 전장 길이가 긴 형태로 제조될 수 있다.
상기와 같이 평면상 넓이가 넓거나 전폭 대비 전장 길이가 긴 형태의 전지셀을 제조하기 위하여, 전극의 크기를 크게 형성하는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 기존에 사용하던 설비의 교체가 필요한 바, 많은 추가 비용과 오랜 시간이 필요한 문제가 있다.
이에, 특허문헌 1은 서로 나란하게 위치하되 그 사이에 공간을 구비하는 두개 이상의 전극조립체, 상기 두개 이상의 전극조립체 내에 수용되는 두개 이상의 전극탭, 상기 두개 이상의 전극조립체를 수용하는 적어도 하나의 수납부를 구비하는 전지케이스를 포함하고, 상기 전극조립체 사이 공간에 구비되는 스페이서는 상기 전극탭을 수용하는 두 개 이상의 안착부를 구비하는 이차전지를 개시한다.
특허문헌 1은 전지케이스 내에 두개 이상의 전극조립체를 수용함으로써 평면상 면적이 넓어진 전지셀을 제조하고 있으며, 상기 전극조립체 사이 공간에 스페이서를 구비함으로써 전극탭을 지지하여 고정시키는 기능을 한다.
그러나, 특허문헌 1에서 상기 스페이서는 전극탭만을 지지 및 고정하는 기능을 하기 때문에, 전지케이스 내에서 상기 스페이서가 정위치에서 벗어나는 경우, 상기 스페이서의 이탈로 인해 상기 전극탭이 손상될 위험이 있다.
특허문헌 2는 스택-폴딩형 구조의 유닛 셀 둘 이상이 하나의 전지케이스에 내장되어 있고, 상기 유닛 셀들은 양측 단부에 하나 또는 둘 이상의 전극단자들이 돌출되어 있으며, 상기 유닛 셀들은 상기 전극단자들이 연결된 상태로 적층 배열 구조 또는 평면 배열 구조를 형성하면서 하나의 수납부에 장착되어 있는 이차전지를 개시한다.
특허문헌 2는 전지케이스 내에 수납된 복수의 유닛 셀들을 연결하는 연결부분에 별도의 보강 부재를 부가하지 않은 상태인 바, 외부 충격 등에 의해 상기 유닛 셀들 간의 절연성이 파괴될 수 있는 문제가 있다.
따라서, 평면상 넓이가 넓거나 전폭 대비 전장 방향 길이가 긴 형태의 전지셀로서, 상기 전지셀의 내부 단락을 방지할 수 있으면서, 안전성이 향상된 전지셀에 대한 필요성이 높은 실정이다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 한국 공개특허공보 제2016-0132145호 (2016.11.17)
(특허문헌 2) 한국 공개특허공보 제2007-0116295호 (2007.12.10)
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전폭길이 대비 전장길이가 수배 이상 긴 형태의 전지케이스에 2개 이상의 단위 적층체들을 수용하여 외관상 롱셀(long-cell) 구조로 이루어짐에도, 상기 단위 적층체들 간의 절연성을 확보하고, 외부 충격에 의해 전극탭부가 손상되는 것을 방지할 수 있도록 보호부재를 포함하는 전지셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 전지셀은, 2개 이상의 단위 적층체들이 서로 간에 직렬 연결 또는 병렬 연결로 결합되어 있는 전극조립체, 상기 전극조립체를 내부에 수용하는 전지케이스, 및 상기 단위 적층체들의 전극탭부를 보호하기 위한 절연성의 보호부재를 포함하고, 상기 전지케이스는 전폭길이 대비 전장길이가 3배 이상인 형태이며, 상기 전지케이스의 외측으로 연장되는 양극리드 및 음극리드는 서로 반대 방향으로 돌출되는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀에 있어서, 상기 단위 적층체는 스택형 전극조립체, 스택/폴딩형 전극조립체, 라미네이션 스택형 전극조립체 또는 이들의 결합 형태이며, 상기 단위 적층체들은 복수의 양극탭들이 결합된 양극탭 다발, 복수의 음극탭들이 결합된 음극탭 다발을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀에 있어서, 상기 보호부재는 상기 전극조립체에서 상기 단위 적층체들이 연결되는 연결부에 부가되는 제1보호부재일 수 있다.
또한, 상기 보호부재는 상기 전극조립체에서 상기 전지케이스 외측으로 연장되는 양극리드 및 음극리드와 전극탭 다발이 결합되는 탭-리드 결합부에 부가되는 제2보호부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1보호부재 및 상기 제2보호부재는, 탭부 및 상기 탭부와 인접한 단위 적층체들의 끝단을 함께 감싸는 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀에 있어서, 상기 제1보호부재는 탭부를 감싸고, 상기 제2보호부재는 탭-리드 결합부를 감싸는 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀에 있어서, 상기 보호부재는 상기 단위 적층체들이 연결되는 연결부, 상기 전지케이스 외측으로 연장되는 양극리드 및 음극리드, 및 상기 단위 적층체의 외면을 감싸는 형태로 이루어진 제3보호부재일 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀에 있어서, 상기 단위 적층체들은 직렬 연결되어 있고, 개별 단위 적층체에서 1개의 양극탭 다발은 제1방향으로 돌출되고, 1개의 음극탭 다발은 상기 제1방향의 반대 방향인 제2방향으로 돌출된 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀에 있어서, 상기 단위 적층체들은 병렬 연결되어 있고, 상기 단위 적층체들은 전극조립체의 양측 끝단 각각에 위치하는 제1단위 적층체, 및 상기 제1단위 적층체를 제외한 제2단위 적층체를 포함하고, 상기 제1단위 적층체는, 제1전극에서 형성되는 2개의 전극탭 다발이 상기 단위 적층체의 제1방향 및 상기 제1방향과 반대 방향인 제2방향으로 각각 돌출되고, 제2전극에서 형성되는 1개의 전극탭 다발은 상기 제1방향 또는 상기 제2방향으로 돌출되며, 상기 제2단위 적층체는, 2개의 양극탭 다발 및 2개의 음극탭 다발이 상기 제1방향 및 상기 제2방향 각각으로 돌출된 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀에 있어서, 상기 제1단위 적층체에서 전지케이스 외측으로 돌출되는 전극탭의 폭은 상기 제1단위 적층체의 나머지 전극탭과 상기 제2단위 적층체의 전극탭들의 폭보다 넓은 형태일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위셀로 포함하는 전지팩을 제공한다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 전지셀의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 보호부재가 부가된 전극조립체의 평면도 및 측면도이다.
도 3은 제 2 실시예에 따른 보호부재가 부가된 전극조립체의 평면도이다.
도 4는 제 3 실시예에 따른 보호부재가 부가된 전극조립체의 평면도이다.
도 5는 제 4 실시예에 따른 보호부재가 부가된 전극조립체의 평면도 및 측면도이다.
도 6은 다양한 형태의 보호부재들의 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명으로 한정하지 않으며, 본 명세서에서 어느 실시예에 대한 한정 또는 부가사항은 모든 실시예들에 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
또한, 모든 수치 범위는 명확하게 제외한다는 기재가 없는 한, 양 끝의 값과 그 사이의 모든 중간값을 포함한다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 전지셀의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 보호부재가 부가된 전극조립체의 평면도 및 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전지셀(100)은 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스(130)의 내부에 전기적으로 연결된 5개의 단위 적층체들(110)이 수용되는 형태이다.
전지케이스(130)는 전폭길이(W) 대비 전장길이(L)가 3배 이상인 형태로서, 상세하게는, 전지케이스의 전폭길이 대비 전장길이가 5배 이상일 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 일 방향의 길이가 긴 형태의 전지셀을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 전지케이스는 도 1 및 도 2에 도시된 파우치형 전지케이스로 한정되지 않으며, 복수의 단위 적층체들이 연결된 상태로 각형 전지케이스에 수납되는 형태도 본 발명의 범주에 포함된다.
또한, 본 발명은 전지케이스(130)의 전장길이(L) 및 전폭길이(W)와 대응되는 크기의 전극들로 구성되는 전극조립체를 사용하지 않고, 전지케이스(130) 내부에 5개의 단위 적층체들이 직렬 연결 또는 병렬 연결로 결합된 형태의 전극조립체를 포함한다.
따라서, 본 발명의 전극조립체는 y축 방향 길이 대비 x축 방향 길이가 1.5배 정도의 크기로 이루어진 전극들로 구성되는 2개 이상의 단위 적층체를 사용하여 제조될 수 있다. 또는, y축 방향 길이와 x축 방향 길이가 동일한 전극들로 구성되는 3개 이상의 단위 적층체를 사용하여 제조될 수 있음은 물론이다.
단위 적층체들(110)은 스택형 전극조립체, 스택/폴딩형 전극조립체, 라미네이션 스택형 전극조립체 또는 이들의 결합 형태일 수 있는 바, 복수의 단위 적층체들이 단일한 형태의 전극조립체들로 구성될 수 있으며, 또는 이종의 전극조립체들로 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 단위 적층체(110)는 양극(113) 및 음극(114)이 적층된 형태로서, 설명의 편의를 위해 분리막을 생략하고 있다.
도 2에 도시된 단위 적층체는 스택형 전극조립체, 스택/폴딩형 전극조립체 또는 라미네이션 스택형 전극조립체일 수 있다.
도 1에는 5개의 단위 적층체들이 직렬 연결된 전극조립체를 도시하고 있으나, 단위 적층체들의 개수를 다르게 설정할 수 있음은 물론이다.
단위 적층체들(110)은 복수의 양극탭들이 결합된 양극탭 다발(111), 복수의 음극탭들이 결합된 음극탭 다발(112)이 서로 다른 방향으로 돌출되도록 형성되고, 전지케이스(130)의 외측으로 연장되는 양극리드(117) 및 음극리드(118)는 서로 반대 방향으로 돌출된다.
도 1 및 도 2에 도시된 전극조립체와 같이 단위 적층체들(110)이 직렬 연결되는 경우에는, 단위 적층체들(110)을 구성하는 양극 및 음극은 크기 및 형태가 동일한 전극들로 구성될 뿐 아니라, 1개의 양극탭이 형성된 양극 및 1개의 음극탭이 형성된 음극을 사용할 수 있다.
따라서, 길이가 긴 형태의 전지셀 제조를 위하여, 단일 공정에서 제조된 양극 및 음극을 사용할 수 있는 바, 길이가 긴 형태의 전지셀 제조를 위해 추가 공정이나 이중 공정이 필요하지 않은 장점이 있다.
단위 적층체들(110)은 1개의 양극탭이 형성된 양극 및 1개의 음극탭이 형성된 음극을 사용하여 제조되는 바, 개별 단위 적층체마다 1개의 양극탭 다발(111)과 1개의 음극탭 다발(112)이 형성된다.
상기 개별 단위 적층체에서 1개의 양극탭 다발(111)은 제1방향으로 돌출되고, 1개의 음극탭 다발(112)은 제1방향의 반대 방향인 제2방향으로 돌출된다.
본 발명에 따른 전지셀은, 단위 적층체들(110)의 전극탭부를 보호하기 위한 절연성의 보호부재를 포함하는 바, 도 1 및 도 2의 전극조립체에서 단위 적층체(110)들이 연결되는 연결부에는 제1보호부재(120)가 부가된다.
도 1에서는 양극리드(117) 및 가장 왼쪽에 있는 단위 적층체(110)를 통과한 제1보호부재(120)가 단위 적층체(110)들이 연결되는 연결부(125)에 장착되는 것을 도시하고 있다.
단위 적층체들(110) 가운데 어느 하나의 단위 적층체의 양극탭 다발(111)은 이웃하는 단위 적층체의 음극탭 다발(112)과 결합되고, 단위 적층체들(110) 가운데 어느 하나의 음극탭 다발(112)은 이웃하는 단위 적층체의 양극탭 다발(111)과 전기적인 연결이 이루어지는 바, 제1보호부재(120)는 상기 양극탭 다발과 상기 음극탭 다발이 결합되는 탭부, 및 상기 탭부와 인접한 양측 단위 적층체(110)들의 끝단을 함께 감싸는 형태로 이루어진다.
제1보호부재(120)가 단위 적층체를 통과하여 상기 연결부에 배치되는 점을 고려할 때, 제1보호부재(120)의 크기는 상기 단위 적층체들의 둘레 보다 크거나 동일한 크기로 형성될 수 있으며, 연결부에 장착된 제1보호부재(120)는 상기 단위 적층체 끝단의 외면에 고정되는 형태로 배치될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 제1보호부재는 최초 배치된 위치에서 이탈하지 않고 안정적으로 고정될 수 있다.
또한, 제1보호부재와 탭부 사이에 공간이 형성되고, 제1보호부재가 도 1에 도시된 바와 같이 사각링 형태를 유지하는 소재로 이루어지는 경우, 탭부에 인가되는 외력을 완충함으로써 탭부가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제1보호부재가 단위 적층체들의 끝단을 감싸고 있기 때문에, 전지케이스에 전해액을 주액하는 과정에서 분리막이 들뜨거나 접히는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 제 2 실시예에 따른 보호부재가 부가된 전극조립체의 평면도이다.
도 3을 참조하면, 전극조립체는 5개의 단위 적층체들이 병렬로 연결되어 있다.
도 3에 도시된 바와 달리, 전극조립체를 구성하는 단위 적층체들의 개수는 5개로 한정되지 않으며, 상기 전극조립체는 5개 보다 적거나 5개 보다 많은 개수의 단위 적층체들로 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 전극조립체에서 단위 적층체들은 병렬 연결되기 때문에, 도 1 및 도 2에 도시된 단위 적층체와 비교할 때 전극탭들의 개수가 달라진다.
상세하게는, 단위 적층체는 전극조립체의 양측 끝단 각각에 위치하는 제1단위 적층체(210a), 및 전극조립체의 양측 끝단을 제외한 내측에 위치하는 제2단위 적층체(210b)로 구성된다. 즉, 제2단위 적층체(210b)는 제1단위 적층체(210a)를 제외한 나머지 단위 적층체들이 해당된다.
2개의 제1단위 적층체들(210a) 가운데 좌측 끝단에 있는 제1단위 적층체는 2개의 양극탭이 형성된 양극 및 1개의 음극탭이 형성된 음극을 포함하기 때문에, 2개의 양극탭 다발(211a, 211)과 1개의 음극탭 다발(212)이 형성된다.
2개의 양극탭 다발(211a, 211)은 서로 반대 방향인 제1방향 및 제2방향으로 각각 돌출되고, 음극탭 다발(212)은 제2단위 적층체(210b) 방향으로 돌출된다.
전지셀의 율속 및 저항을 고려할 때, 양극탭 다발(211)의 폭보다 양극탭 다발(211a)의 폭이 더 크게 형성될 수 있다.
전극조립체에서 우측 끝단에 있는 제1단위 적층체(210a)는 1개의 양극탭이 형성된 양극 및 2개의 음극탭이 형성된 음극을 포함하기 때문에, 1개의 양극탭 다발(211)과 2개의 음극탭 다발(212, 212a)이 형성된다.
2개의 음극탭 다발(212, 212a)은 서로 반대 방향인 제1방향 및 제2방향으로 각각 돌출되고, 양극탭 다발(211)은 제2단위 적층체(210b) 방향으로 돌출된다.
전지셀의 율속 및 저항을 고려할 때, 음극탭 다발(212)의 폭보다 음극탭 다발(212a)의 폭이 더 크게 형성될 수 있다.
한편, 양극탭 다발(211)의 폭과 양극탭 다발(211a)의 폭이 동일하고, 음극탭 다발(212)의 폭과 음극탭 다발(212a)의 폭이 동일하게 형성될 수 있다.
이와 같이 양극탭 다발들(211a, 211)의 폭이 동일하고 음극탭 다발들(212, 212a)의 폭이 동일한 경우에는, 단일 공정을 통해 제조된 양극 및 음극을 사용하여 2개의 양극탭 다발 및 2개의 음극탭 다발이 형성되는 제2단위 적층체(210b)를 제조할 수 있다. 또한, 전극조립체의 양측 끝단에 배치되는 제1단위 적층체(210a)는, 제2단위 적층체(210b)에서 1개의 음극탭 다발 및 1개의 양극탭 다발 중 어느 하나를 제거하는 과정으로 제조될 수 있다.
제2단위 적층체(210b)는 이웃하는 단위 적층체와 병렬 연결되기 때문에, 2개의 양극탭이 형성된 양극과 2개의 음극탭이 형성된 음극을 포함한다. 따라서, 제2단위 적층체(210b)는 2개의 양극탭 다발(211)과 2개의 음극탭 다발(212)이 형성된다. 2개의 양극탭 다발(211) 각각은 서로 반대 방향인 제1방향 및 제2방향으로 돌출되고 2개의 음극탭 다발(212) 각각은 서로 반대 방향인 제1방향 및 제2방향으로 돌출된다.
도 3에 도시된 전극조립체에는 제1보호부재(220) 및 제2보호부재(230)가 부가되는 바, 제1단위 적층체(210a) 및 제2단위 적층체(210b)가 연결되는 연결부, 및 제2단위 적층체(210b)와 제2단위 적층체(210b)가 연결되는 연결부에 제1보호부재(220)가 부가되며, 전지케이스 외측으로 연장되는 양극리드(217) 및 음극리드(218)와 전극탭 다발이 결합되는 탭-리드 결합부에 제2보호부재(230)가 부가될 수 있다.
즉, 양극리드(217)가 양극탭 다발(211a)과 결합되는 부분 및 음극리드(218)가 음극탭 다발(212a)과 결합되는 부분으로서, 전지케이스 내부에 수용되는 양극리드(217) 및 음극리드(218)의 외면에 제2보호부재(230)가 부가될 수 있다.
제2보호부재(230)는 제1보호부재(220)와 같이 형태가 유지되는 사각링 형태로 이루어질 수 있으며, 제1단위 적층체(210a) 및 제2단위 적층체(210b)의 둘레보다 크게 형성될 수 있고, 또는 단위 적층체들(210a, 210b)의 외면에 밀착되어 고정되는 크기로 이루어질 수 있다.
이외에 제2보호부재의 기능에 대한 설명은 상기 제1보호부재의 설명과 동일하게 적용될 수 있다.
도 4는 제 3 실시예에 따른 보호부재가 부가된 전극조립체의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 전극조립체는 도 3의 전극조립체와 동일한 형태의 전극조립체로서, 5개의 단위 적층체들(310)이 병렬 연결된 구조이다.
따라서, 도 3의 설명에 기재된 전극조립체에 대한 설명은 도 4의 전극조립체에 동일하게 적용될 수 있다.
도 4의 전극조립체에는 단위 적층체들(310)의 전극탭부를 보호하기 위한 절연성의 제3보호부재(340)가 부가된다. 제3보호부재(340)는 단위 적층체들(310)이 연결되는 연결부(325), 전지케이스 외측으로 연장되는 양극리드 및 음극리드, 및 단위 적층체(310)의 외면을 감싸는 형태로 이루어진다.
즉, 제3보호부재(340)는 전지케이스 외측으로 연장되는 양극리드(317) 및 음극리드(318)를 제외한 전극조립체의 전체 외면을 감싸는 형태일 수 있다.
이와 같은 형태의 제3보호부재(340)를 사용하는 경우에는, 복수의 단위 적층체들로 구성되는 전극조립체의 외면 전체를 감싸기 때문에, 전극조립체의 두께가 균일해지는 효과를 얻을 수 있으므로, 전지케이스 외면에 굴곡이 생기는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제3보호부재의 부가로 인하여 전극조립체의 강성을 확보할 수 있는 바, 전극탭부뿐만 아니라, 전극조립체의 외면에 인가되는 힘에 의해 전극조립체가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 제 4 실시예에 따른 보호부재가 부가된 전극조립체의 평면도 및 측면도이다.
도 5를 참조하면, 전극조립체는 도 1 및 도 2에 도시된 전극조립체와 동일한 형태이다. 따라서, 전극조립체에 대한 설명은 상기 도 1 및 도 2의 설명에 기재된 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
도 5의 전극조립체에는 제1보호부재(420) 및 제2보호부재(430)가 부가되어 있다.
제1보호부재(420)는 단위 적층체(410)들이 연결되는 연결부에 부가되고, 제2보호부재는(430)는 전지케이스 외측으로 연장되는 양극리드(417) 및 음극리드(418)와 연결되는 탭-리드 결합부에 부가된다.
제1보호부재(420)는 탭부를 감싸는 형태로 이루어지고, 제2보호부재(430)는 탭-리드 결합부를 감싸는 형태로 이루어진다.
구체적으로, 제1보호부재(420) 및 제2보호부재(430)의 둘레는 단위 적층체(410)의 둘레보다 작은 크기인 바, 제1보호부재(420) 및 제2보호부재(430)의 폭 및 높이는 단위 적층체(410)의 폭 및 높이 보다 작게 형성된다.
따라서, 제1보호부재(420) 및 제2보호부재(420)에 의해 전극탭부 및 탭-리드 결합부의 강성을 확보할 수 있을 뿐 아니라, 전지케이스의 외관상 제1보호부재(420) 및 제2보호부재(430)가 부가된 부분이 돌출되지 않기 때문에 보호부재들을 부가하더라도 전지셀의 두께가 증가되지 않는다.
하나의 구체적인 예에서, 제1보호부재(420) 및 제2보호부재(430)는 열수축성 튜브로 이루어질 수 있는 바, 순간적인 수축에 의해 상기 탭부 및 탭-리드 결합부 외면에 상기 열수축성 튜브가 밀착되도록 부가될 수 있다. 이와 같이, 수축 과정에서 인접하는 전극탭 다발 간의 접촉으로 단락이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 이와 같은 형태의 보호부재는 복수의 단위 적층체들이 병렬 연결된 전극조립체에 적용하는 것 보다는 직렬 연결된 전극조립체에 적용하는 것이 바람직하다.
도 6은 다양한 형태의 보호부재들의 사시도이다.
도 6을 참조하면, (A)형태의 보호부재는 단위 적층체의 둘레보다 큰 크기로 이루어져서 상기 단위 적층체를 통과하며 장착되는 형태일 수 있다.
(B)형태의 보호부재는 탈착이 가능한 한 쌍의 구조물들로 구성되는 바, 도 5에 도시된 바와 같이, 단위 적층체의 둘레보다 작은 둘레를 가진 형태로 적용할 수 있을 뿐 아니라, 보호부재의 둘레 크기에 따라 (A)형태의 보호부재가 부가되는 전극조립체에도 적용될 수 있다. 즉, 연결부에 한 쌍의 보호부재를 배치한 상태에서 상기 한 쌍의 보호부재를 결합하는 방법으로 적용될 수 있다.
(C)형태의 보호부재는 열수축성 튜브일 수 있는 바, 도 1 내지 도 5에 도시된 모든 형태의 보호부재로 적용될 수 있다.
(D)형태의 보호부재는 2장의 필름 타입으로 이루어지는 바, 전극탭부 및 탭-리드 결합부의 상부 및 하부에 배치한 후 가열 및 가압하여 부착하거나, 접착층을 구비하여 상기 접착층이 서로 대면하도록 배치 후 부착될 수 있다.
본 발명은 상기 보호부재가 부가된 전극조립체를 포함하는 전지셀을 단위셀로 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지셀은 전폭 대비 전장 길이가 긴 형태이고, 단락을 방지할 수 있는 보호부재를 부가하여 안전성이 향상되는 바, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같이 고용량 및 고출력을 필요로 하고, 전지팩이 배치되기 위한 공간의 높이가 낮고 길이가 긴 형태의 디바이스에 적용할 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
(부호의 설명)
100: 전지셀
110, 310, 410: 단위 적층체
111, 211, 211a: 양극탭 다발
112, 212, 212a: 음극탭 다발
113: 양극
114: 음극
117, 217, 317, 417: 양극리드
118, 218, 318, 418: 음극리드
120, 220, 420: 제1보호부재
125, 325: 연결부
130: 전지케이스
210a: 제1단위 적층체
210b: 제2단위 적층체
230, 430: 제2보호부재
340: 제3보호부재
W: 전폭 길이
L: 전장 길이
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 전지셀은 전폭길이 대비 전장길이가 수배 더 긴 구조의 전지셀을 구현함에도, 상기 전지셀의 전지케이스 수납부와 대응되는 크기의 전극들로 구성되는 전극조립체가 아닌, 작은 전극들로 구성되는 단위 적층체들이 여러 개 연결된 구조의 전극조립체를 사용하는 바, 전폭대비 전장길이가 긴 형태의 전극을 별도로 제조할 필요가 없다.
즉, 기존의 전지셀 제조 장비들을 그대로 이용할 수 있으므로, 생산 설비를 구축하기 위한 추가 비용 및 시간을 필요로 하지 않는다.
또한, 상기 단위 적층체들의 전극탭부를 보호하기 위한 보호부재가 전극탭 다발이 위치하는 탭부, 및 상기 탭부와 인접한 단위 적층체들의 끝단을 함께 감싸는 형태로 이루어지는 바, 상기 보호부재의 위치가 고정될 수 있다.
또한, 상기 보호부재를 사용하기 때문에, 외력으로부터 상기 탭부를 보호할 수 있다.
또한, 전지셀의 크기가 큰 본 발명에 따른 전지셀을 포함하는 전지팩은, 전지팩 하우징의 크기가 동일할 때 내부에 수용하는 전지셀의 개수를 줄일 수 있으므로, 전지셀들을 전기적으로 연결하기 위한 연결 부재의 사용을 줄임으로써 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 2개 이상의 단위 적층체들이 서로 간에 직렬 연결 또는 병렬 연결로 결합되어 있는 전극조립체;
    상기 전극조립체를 내부에 수용하는 전지케이스; 및
    상기 단위 적층체들의 전극탭부를 보호하기 위한 절연성의 보호부재;
    를 포함하고,
    상기 전지케이스는 전폭길이 대비 전장길이가 3배 이상인 형태이며,
    상기 전지케이스의 외측으로 연장되는 양극리드 및 음극리드는 서로 반대 방향으로 돌출되는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 적층체는 스택형 전극조립체, 스택/폴딩형 전극조립체, 라미네이션 스택형 전극조립체 또는 이들의 결합 형태이며,
    상기 단위 적층체들은 복수의 양극탭들이 결합된 양극탭 다발, 복수의 음극탭들이 결합된 음극탭 다발을 형성하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 보호부재는 상기 전극조립체에서 상기 단위 적층체들이 연결되는 연결부에 부가되는 제1보호부재인 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 보호부재는 상기 전극조립체에서 상기 전지케이스 외측으로 연장되는 양극리드 및 음극리드와 전극탭 다발이 결합되는 탭-리드 결합부에 부가되는 제2보호부재를 더 포함하는 전지셀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1보호부재 및 상기 제2보호부재는, 탭부 및 상기 탭부와 인접한 단위 적층체들의 끝단을 함께 감싸는 형태로 이루어진 전지셀.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제1보호부재는 탭부를 감싸고, 상기 제2보호부재는 탭-리드 결합부를 감싸는 형태로 이루어진 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 보호부재는 상기 단위 적층체들이 연결되는 연결부, 상기 전지케이스 외측으로 연장되는 양극리드 및 음극리드, 및 상기 단위 적층체의 외면을 감싸는 형태로 이루어진 제3보호부재인 전지셀.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 단위 적층체들은 직렬 연결되어 있고,
    개별 단위 적층체에서 1개의 양극탭 다발은 제1방향으로 돌출되고,
    1개의 음극탭 다발은 상기 제1방향의 반대 방향인 제2방향으로 돌출된 형태로 이루어진 전지셀.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 단위 적층체들은 병렬 연결되어 있고,
    상기 단위 적층체들은 전극조립체의 양측 끝단 각각에 위치하는 제1단위 적층체, 및 상기 제1단위 적층체를 제외한 제2단위 적층체를 포함하고,
    상기 제1단위 적층체는,
    제1전극에서 형성되는 2개의 전극탭 다발이 상기 단위 적층체의 제1방향 및 상기 제1방향과 반대 방향인 제2방향으로 각각 돌출되고, 제2전극에서 형성되는 1개의 전극탭 다발은 상기 제1방향 또는 상기 제2방향으로 돌출되며,
    상기 제2단위 적층체는,
    2개의 양극탭 다발 및 2개의 음극탭 다발이 상기 제1방향 및 상기 제2방향 각각으로 돌출된 형태로 이루어진 전지셀.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제1단위 적층체에서 전지케이스 외측으로 돌출되는 전극탭의 폭은 상기 제1단위 적층체의 나머지 전극탭과 상기 제2단위 적층체의 전극탭들의 폭보다 넓은 파우치형 전지셀.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 전지셀을 단위셀로 포함하는 전지팩.
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