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KR100895202B1 - 파우치형 전지 - Google Patents

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KR100895202B1
KR100895202B1 KR1020060034364A KR20060034364A KR100895202B1 KR 100895202 B1 KR100895202 B1 KR 100895202B1 KR 1020060034364 A KR1020060034364 A KR 1020060034364A KR 20060034364 A KR20060034364 A KR 20060034364A KR 100895202 B1 KR100895202 B1 KR 100895202B1
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type battery
sealing
pouch
battery
bent
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유승재
김민수
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 양극과 음극이 서로 대향하여 전지케이스의 양측에 돌출되어 있는 파우치형 전지로서, 1 단위의 시트형 전지케이스 상에 전극조립체가 장착될 수 있는 수납부가 대칭적으로 형성되어 있고, 상기 일측 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 타측 수납부가 포개질 수 있도록 양측 수납부들 사이(절곡선)를 절곡한 후 밀봉하여 제조되며, 상기 양측 수납부는 절곡선에 접하면서 서로 연속되도록 형성되어 있고, 상기 양측 수납부가 접히는 절곡선 위치의 케이스 외주면에는 수납부에 대응하는 깊이로 절곡 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 파우치형 전지는 간단한 조립공정으로 기존의 두 배에 달하는 용량으로 제조될 수 있으며, 제조과정에서 전지케이스가 파열되는 것을 방지하여 불량률을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 장치 없이도 전극조립체를 정위치에 장착할 수 있고, 대기에 접하는 실링부를 최소화하여 공기의 유입에 대한 수명특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

파우치형 전지 {Pouch-type Battery}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지의 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 파우치형 전지에서 절곡 만입부의 구조를 나타내기 위한 정면도이다;
도 3은 도 2에서 절곡 만입부가 형성되지 있지 않은 상태의 정면도이다;
도 4는 도 2의 바람직한 변형예에 따른 절곡 만입부의 구조를 나타내기 위한 정면도이다;
도 5는 도 1의 파우치형 전지를 조립한 상태의 사시도이다.
본 발명은 파우치형 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극과 음극이 서로 대향하여 전지케이스의 양측에 돌출되어 있는 파우치형 전지로서, 1 단위의 시트형 전지케이스 상에 전극조립체가 장착될 수 있는 수납부가 대칭적으로 형성되어 있고, 상기 일측 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 타측 수납부가 포개질 수 있도록 양측 수납부들 사이(절곡선)를 절곡한 후 밀봉하여 제조되며, 상기 양측 수납부는 절곡선에 접하면서 서로 연속되도록 형성되어 있고, 상기 양측 수납부가 접히는 절곡선 위치의 케이스 외주면에는 수납부에 대응하는 깊이로 절곡 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지를 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
일반적으로 파우치형 이차전지는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 파우치형 이차전지는 라미네이트 시트에 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 상기 시트에서 분리되어 있는 별도의 시트 또는 연장되어 있는 시트를 열융착하는 것으로 제조된다.
이러한 파우치 케이스는 대략 113 ㎛ 두께의 알루미늄 라미네이트 시트를 다이와 펀치를 사용하여 딥-드로잉 공정에 유사한 방식으로 부분 압축함으로써 수납부를 형성할 수 있다. 그러나, 상기와 같이 얇은 두께의 시트는 그것을 압축하는 과정에서 파열 등이 유발될 수 있으므로, 일반적으로 15 mm 이상의 깊이를 가진 수 납부를 형성하기 어렵다.
한편, 분리형의 전지케이스에서는 두 단위의 시트형 케이스를 상호 겹쳐 밀봉하는 방식으로 결합되므로, 전지의 제조과정에서 전극조립체를 내장한 상태로 양측 수납부를 정위치에서 상호 중첩시켜야 한다. 상기 전극조립체가 정위치로 장착되지 못할 경우 내부 단락이 유발되므로, 별도의 가이드 장치가 요구되어 제조비용이 증가하게 된다. 또한, 두 단위의 전지케이스는 4 면에서 결합되어 실링부를 형성하므로, 상기 4 면 모두에서 대기와 접하게 되어 장기간의 사용시 공기의 유입 가능성이 매우 높아지게 되고, 그로 인하여 전지의 수명을 단축시키는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 일 단위의 시트형 케이스에 대응하는 두 개의 수납부를 형성하여 상호 중첩시키는 방법에 대한 기술들이 많이 소개되고 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2005-285503호와 제2005-285506호에는 일 단위의 라미네이트 시트에 두 개의 대응 수납부들을 소정의 거리로 이격되도록 형성하고, 상기 수납부의 일측에 전극조립체를 장착한 상태에서 수납부들 사이의 중앙 부위를 절곡하여 전지를 제조하는 기술이 개시되어 있다. 이러한 전지 제조 기술은 라미네이트 시트에 형성하는 수납부의 깊이를 대략 절반으로 감소시킬 수 있고, 전지의 4 면 중 1 면의 실링부는 밀폐된 상태를 유지할 수 있다.
그러나, 인접한 두 개의 수납부들을 형성하기 위하여 라미네이트 시트를 압축하는 과정에서, 추후 절곡이 이루어질 상기 중앙 부위는 양측으로 수납부가 형성될 수 있도록 연신 변형되므로, 일측 방향으로만 연신되는 경우와 비교하여, 기계 적 강도가 취약해질 수 밖에 없고, 그로 인해 수납부를 형성하는 과정 및/또는 절곡하는 과정에서 파열될 가능성이 매우 높다.
따라서, 일 단위의 전지케이스에서, 전극조립체 수납부를 형성하는 과정 및/또는 수납부를 중첩시키기 위하여 절곡하는 과정에서 전지케이스의 파열 등을 방지하여 불량률을 최소화하며, 간단한 조립공정으로 제조될 수 있는 파우치형 전지에 대한 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 간단한 조립공정으로 기존의 두 배에 달하는 용량으로 제조될 수 있으며, 조립과정 중 전지케이스가 파열되는 것을 방지할 수 있는 구조의 파우치형 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전극조립체를 수납부에 정위치로 용이하게 장착할 수 있고, 대기에 접하는 실링부를 최소화하여 전지의 수명특성을 향상시킬 수 있도록 일체형의 전지케이스로 이루어진 파우치형 전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파우치형 전지는, 양극과 음극이 서로 대향하여 전지케이스의 양측에 돌출되어 있는 파우치형 전지로서, 1 단위 의 시트형 전지케이스 상에 전극조립체가 장착될 수 있는 수납부가 대칭적으로 형성되어 있고, 상기 일측 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 타측 수납부가 포개질 수 있도록 양측 수납부들 사이(절곡선)를 절곡한 후 밀봉하여 제조되며, 상기 양측 수납부는 절곡선에 접하면서 서로 연속되도록 형성되어 있고, 상기 양측 수납부가 접히는 절곡선 위치의 케이스 외주면에는 수납부에 대응하는 깊이로 절곡 만입부가 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 파우치형 전지는 수납부 형성 과정, 전극조립체 장착 후 전지케이스의 절곡 과정, 및 밀봉 과정 등의 간단한 조립공정을 거쳐 제조될 수 있고, 양측 수납부들을 용이하게 정위치로 중첩시킬 수 있으며, 특히, 수납부의 형성 과정 또는 절곡 과정 중에 발생될 수 있는 전지케이스의 파열 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 전지의 내부가 외부와 통할 수 있는 실링부를 최소화함으로써 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 양측 수납부는 그것의 일측에서 일부 또는 전부가 연통되는 구조로 상기 절곡선에 접해 있을 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 양측 수납부가 절곡선을 기준으로 완전히 연통되어 있을 수 있다. 이 경우, 양측 수납부는 사실상 하나의 일체형 수납부 구조를 이루며, 양측 실링부는 단지 중앙을 지나는 절곡선을 기준으로 나누어 진다.
상기 절곡선은 실질적으로, 전극조립체를 전지케이스에 장착하였을 때, 상기 전극조립체의 두께 방향의 측면에 대응하는 부위로서, 양측 수납부 사이에 위치하는 일종의 가상선이다. 따라서, 실제 절곡이 이루어지는 부위는 상기 절곡선에서 대략 전극조립체 두께의 절반에 대응하는 길이만큼 이격된 전지케이스의 대응 부위이다.
상기 양측 수납부의 깊이는 서로 동일하거나 다를 수 있으며, 바람직하게는 동일한 깊이로 형성되어 있고 한 번의 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다.
상기 절곡 만입부는 절곡선 위치의 케이스 외주면 상에 형성되며, 더욱 구체적으로는, 절곡선에 대응하는 위치의 전지케이스 외주면이 수직 단면상으로 수납부의 깊이 만큼 만입되어 있는 형상으로 이루어져 있다. 이러한 절곡 만입부는 상기 절곡선을 기준으로 대략 대칭 구조를 이루고 있으며, 전지의 제조과정에서 실링이 행해진다.
본 발명에 따른 이차전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 하나의 구체적인 예에서 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 라미네이트 시트는 매우 얇은 구조로서 일반적으로 15 mm 이상의 깊이를 가진 수납부를 형성하기 어렵고, 그로 인하여 전지의 두께 역시 15 mm 이상으로 제조되기 어렵다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 수납부를 연속적으로 형성한 뒤, 두 수납부를 중첩시킴으로써 15 mm의 한계점을 극복하고 있다. 따라서, 본 발명에서는 각각의 수납부들을 최대한의 깊이로 형성함으로써, 상기 수납부에 적어도 15 mm 이상, 바람직하게는 30 mm 이하까지의 두께로 이루어진 1 개의 전극조립체, 또는 15 mm 이하의 두께로 이루어진 2 개의 전극조립체를 장착하여, 15 mm 이상의 두께를 가진 전지를 제조할 수 있다. 여기서, 상기 전지 의 두께는 전기화학적 반응이 일어나는 전극조립체의 두께 또는 그것이 장착되는 수납부의 깊이로서 결정된다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지케이스는 절곡선에 대향하는 수납부 외측의 시트가 상대적으로 길게 연장되어 있는 구조일 수 있다. 이 경우, 상기 파우치형 전지는 일측 수납부에 전극조립체를 장착하고 절곡선을 따라 절곡한 후, 연장된 길이의 상기 외측 시트를 제외한 나머지 실링부(상호 접하는 부위) 전체를 밀봉하고, 상기 외측 시트를 통해 전해액을 주입한 다음 밀봉하여, 상기 밀봉 외측 시트를 소정의 크기로 재단하는 것으로 제조될 수 있다. 이러한 전지케이스의 구조에 의하여, 전해질을 용이하게 주입할 수 있을 뿐만 아니라, 주입 과정에서 작업자의 실수에 의하여 전해질이 넘쳐 흐르는 등의 문제점을 해결할 수도 있다.
이러한 구조에서, 상기 전지케이스는 상호 접하는 부위를 다양한 방법으로 밀봉할 수 있으며, 그 중에서도 특히 열융착에 의하여 밀봉되는 것이 결합력을 높이는데 효과적이다.
본 발명은 또한, 상기의 파우치형 전지를 단위전지로서 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 중대형 전지모듈은 2 개의 전극조립체 또는 용량이 2 배로 증가된 1 개의 전극조립체를 하나의 단위전지로서 취급하여 조립을 행할 수 있고 이들의 결합 구조가 치밀하므로, 전지모듈의 전체적인 조립 공정을 간소화할 수 있고 더욱 콤팩트한 구조로 제조될 수 있다.
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 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 전지(100)는 양극(210)과 음극(220)이 서로 대향하여 돌출되어 있는 전극조립체(200), 및 전극조립체(200)의 두 배 이상의 너비로 이루어진 수납부(310)가 형성되어 있고, 상단 실링부(320) 및 하단 실링부(330)에 각각 절곡 만입부(340)가 형성되어 있는 전지케이스(300)로 구성되어 있다.
전지케이스(300)는 수납부(310)의 가상 절곡선(311)을 기준으로 소정의 거리로 이격된 두 절곡부(312, 313)에서 절곡됨으로써, 수납부(310)를 중첩하여 전극조립체(200)를 밀봉할 수 있다. 이때, 두 절곡부(312, 313)의 이격거리(l)는 대략 전극조립체(200)의 두께(t)에 대응하며, 이로 인해 전극조립체(200)의 측면(230)을 감쌀 수 있다. 따라서, 수납부(310)는 전극조립체(200)의 상면(240)과 하면(도시하지 않음), 및 측면(230)에 해당하는 너비로 이루어져 있다.
절곡 만입부(340)는 수납부(310)의 가상 절곡선(311)과 만나는 상단 실링부(320) 및 하단 실링부(330)에 각각 형성되어 있으며, 가상 절곡선(311)을 기준으로 대칭되는 구조의 양측 실링부(341, 342)로 이루어져 있다. 따라서, 가상 절곡선(311)을 기준으로 전지케이스(300)를 두 절곡부(312, 313)에서 절곡하였을 경우, 양측 실링부(341, 342)는 상호 접하게 되고 이러한 접촉 부위는 추후 열융착에 의 해 실링된다.
도 1에서와 같이 양측 수납부가 완전히 연통되어 있는 전지케이스 구조에서, 상기와 같은 절곡 만입부가 형성되어 있지 않을 경우, 전지케이스를 절곡하는 과정에서 전지케이스 외주면의 해당 부위는 변형이 유발되므로, 구조적으로 안정한 전지가 제조되지 못한다. 이는 절곡 만입부가 형성되지 있지 않은 상태의 단면도가 도시되어 있는 도 2에서 용이하게 확인할 수 있다.
도 2를 참조하면, 전지케이스(400)를 점 A를 기준으로 절곡하면, 전지케이스(300)의 하단부(302)는 화살표 방향으로 큰 인장력을 받게 된다. 앞에서도 설명한 바와 같이, 전지케이스(400)는 매우 얇은 구조의 라미네이트 시트로 이루어져 있기 때문에, 이러한 인장력은 전지케이스(400)의 하단부(302)의 파열을 유발할 수 있다.
따라서, 도 2에서와 같은 구조의 전지케이스(400)에서는, 하단면에 위치한 점 B를 기준으로 전지케이스(400)를 절곡하여야 한다. 그러나, 이러한 절곡을 위해서는, 점 B를 중심으로 주변 부위의 변형이 동반되어야 하므로, 전지케이스(400)의 상단부(301)는 점 B의 방향으로 꺾이면서 변형된다. 따라서, 밀봉성을 유지하는 정상적인 구조의 전지가 제조될 수 없다.
반면에, 전지케이스(400)의 상단부(301)에 대응하는 부위에, 도 1에서와 같은 절곡 만입부(340)를 형성하면, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다. 이러한 절곡 만입부(340)의 구조는 도 3에서 더욱 용이하게 확인할 수 있다.
도 3을 참조하면, 절곡 만입부(340)는 수납부(310)의 깊이(d) 방향으로 만입 되어 있는 형태로 이루어져 있으며, 대략 수납부(310)와 동일한 깊이(d)로 형성되어 있다. 전지케이스(300)가 점 B를 기준으로 절곡되는 과정에서 양측 실링부(341, 342)도 접하게 된다. 도 3의 구조에서는, 절곡 만입부(340)가 그것의 상부로 갈수록 절곡되는 각도가 커지도록 테이퍼된 구조로 이루어져 있다.
한편, 전지케이스(300)의 수납부(310)는 절곡 만입부(340)를 기준으로 절곡되어 전극조립체(200)를 상하 방향에서 수납할 수 있다. 따라서, 수납부(310)에는 그것의 깊이(d)에 두 배에 이르는 두께(t)를 가진 전극조립체(200)가 장착될 수 있다. 이러한 전지케이스(300)는, 도면으로 예시하지는 않았지만, 수납부(310)의 깊이(d)에 대응하는 두 개의 전극조립체(도시되어 있지 않음)를 수납하여 전지를 구성할 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 파우치형 전지(100)는 양극(210) 및 음극(2230)을 상단 실링부(320) 및 하단 실링부(330)에 대응하도록 전극조립체(200)를 수납부(310)의 일측에 장착하고, 상단 실링부(320)와 하단 실링부(330) 및 측면 실링부(350)가 각각 접하도록 전지케이스(300)를 두 절곡부(312, 313)에서 절곡한 다음, 상단 실링부(320) 및 하단 실링부(330)를 열융착하고, 측면 실링부(350)의 이격 틈으로 전해질을 주입하여 측면 실링부(350)를 열융착한 다음, 측면 실링부(350)를 소정의 길이로 재단하는 것으로 제조될 수 있다.
전지케이스(300)는 절곡 만입부(340)에 의해 용이하게 절곡될 수 있으며, 절곡 만입부(340)의 양측 실링부(341, 342)가 서로 접하면서 절곡이 이루어지므로 주름 등이 발생하지 않고 견고하게 밀봉될 수 있다.
도 4에는 도 3의 변형예에 따른 절곡 만입부의 구조가 모식적 단면도로서 도시되어 있으며, 도 5에는 도 1의 파우치형 전지를 조립한 상태의 사시도가 도시되어 있다.
우선, 도 4를 참조하면, 절곡 만입부(340')는 소정 너비(w)의 대략 U-형의 수직 단면 구조로 이루어져 있다. 절곡 만입부(340')는 절곡 과정에서 이격 부위가 상호 밀착되고 밀봉 과정에서 실링된다는 점에서 원리 상으로는 도 3의 절곡 만입부(340)와 동일하다.
상기와 같은 원리로 절곡과 실링을 행하면, 도 5에서와 같이, 절곡 부위에 대향하는 위치의 측면 실링부(350)가 길게 연장되어 있는 형태로 전지셀이 제조되며, 이러한 측면 실링부(350)를 통한 전해액의 주입, 전해액 주입 후의 밀봉 및 소정 크기로의 재단 과정 등은 앞서 설명한 바와 동일하다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 파우치형 전지는 간단한 조립공정으로 기존의 두 배에 달하는 용량으로 제조될 수 있으며, 특히, 제조과정에서 전지케이스가 파열되는 것을 방지하여 불량률을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 장치 없이도 전극조립체를 정위치에 장착할 수 있고, 대기에 접하는 실링부를 최소화하여 공기, 습기 등의 유입 및 전해액의 누액 가능성을 더욱 감소시켜 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 양극과 음극이 서로 대향하여 전지케이스의 양측에 돌출되어 있는 파우치형 전지로서, 1 단위의 시트형 전지케이스 상에 전극조립체가 장착될 수 있는 수납부가 대칭적으로 형성되어 있고, 상기 일측 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 타측 수납부가 포개질 수 있도록 양측 수납부들 사이(절곡선)를 절곡한 후 밀봉하여 제조되며, 상기 양측 수납부는 절곡선에 접하면서 서로 연속되도록 형성되어 있고, 상기 양측 수납부가 접히는 절곡선 위치의 케이스 외주면에는 수납부에 대응하는 깊이로 절곡 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양측 수납부는 동일한 깊이로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 절곡선에 대향하는 수납부 외측의 시트(측면 실링부)는 절곡선에 인접한 상단 또는 하단 실링부보다 상대적으로 길게 연장되어 있으며, 일측 수납부에 전극조립체를 장착하고 절곡선을 따라 절곡한 후, 연장된 길이의 상기 외측 시트를 제외한 부위를 밀봉하고, 상기 외측 시트를 통해 전해액을 주입하고 밀봉한 뒤, 상기 밀봉 외측 시트를 소정의 크기로 재단함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉은 열융착에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나에 따른 파우치형 전지를 단위전지로서 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지모듈.
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