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KR101636371B1 - 계단 구조의 전지셀 - Google Patents

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KR101636371B1
KR101636371B1 KR1020140105862A KR20140105862A KR101636371B1 KR 101636371 B1 KR101636371 B1 KR 101636371B1 KR 1020140105862 A KR1020140105862 A KR 1020140105862A KR 20140105862 A KR20140105862 A KR 20140105862A KR 101636371 B1 KR101636371 B1 KR 101636371B1
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김동명
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Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 상부 케이스 및 하부 케이스로 이루어져 있고, 상기 상부 케이스 및/또는 상기 하부 케이스에 전극조립체의 장착을 위한 수납부가 형성되어 있는 전지케이스, 및 다수의 전극들 또는 유닛셀들이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고 그 중 적어도 둘 이상의 전극들 또는 유닛셀들은 평면 크기가 서로 다른 전극조립체를 포함하며, 상기 전지케이스의 수납부는 상기 전극조립체의 외면 형상에 대응하는 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

계단 구조의 전지셀 {Battery Cell of Stair-like Structure}
본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 상부 케이스 및 하부 케이스로 이루어져 있고, 상기 상부 케이스 및/또는 상기 하부 케이스에 전극조립체의 장착을 위한 수납부가 형성되어 있는 전지케이스, 및 다수의 전극들 또는 유닛셀들이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고 그 중 적어도 둘 이상의 전극들 또는 유닛셀들은 평면 크기가 서로 다른 전극조립체를 포함하며, 상기 전지케이스의 수납부는 상기 전극조립체의 외면 형상에 대응하는 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 전지는 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 밀봉되어 있는 전지를 말한다. 전지케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 복합형(스택/폴딩형)의 구조로 이루어져 있을 수 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 파우치형 전지케이스(20)의 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(40, 41)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일체로서 연결되어 있는 커버(22)로 이루어질 수 있다.
도시되어 있지는 않지만, 전지케이스는 전극조립체가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부를 포함하는 하부 케이스와 그러한 하부 케이스의 덮개로서 전극조립체를 밀봉하는 상부 케이스로 이루어져 있을 수도 있다
전지케이스(20)는 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 최외각을 이루는 외측 수지층(20a), 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층(20b), 및 밀봉을 위한 내측 수지층(20c)으로 구성될 수 있다.
스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 각각 융착되어 전극리드(40, 41)에 함께 결합될 수 있다. 또한, 케이스 본체(21)의 상단부(24)와 커버(22)의 상단부가 열융착기(도시하지 않음)에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극리드(40, 41) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극리드(40, 41)와 전지케이스(20)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극리드(40, 41)의 상하면에 절연필름(50)이 부착될 수 있다.
그러나, 최근에는 슬림한 타입 또는 다양한 디자인 트랜드로 인하여 새로운 형태의 전지셀이 요구되고 있는 실정이다.
또한, 상기와 같은 전지셀들은 동일한 크기 또는 용량의 전극조립체를 포함하는 것으로 구성되어 있으므로, 전지셀이 적용되는 디바이스의 디자인을 고려하여 신규한 구조로 만들기 위해서는, 전지셀의 용량을 줄이거나 더 큰 크기로 디바이스의 디자인을 변경해야 하는 문제점이 있을 수 있다.
또한, 이러한 디자인 변경 과정에서 전기적 연결 방식이 복잡해짐으로 인해 소망하는 조건을 만족하는 전지셀의 제작이 어려워지는 문제점도 있을 수 있다.
더욱이, 전극조립체의 형상에 따라 전지케이스를 제작하여야 하는 문제점도 존재할 수 있다.
따라서, 전지셀이 적용되는 디바이스의 모양에 따라 적용 가능한 전극조립체, 전지케이스 및 이를 포함하는 전지셀에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀을 디바이스의 다양한 공간에 장착될 수 있도록 하는 구조로 설계하여, 디바이스의 내부 공간의 활용도를 극대화시키고, 일반적으로 장방형의 구조를 가지는 디바이스의 외형 구조에서 벗어나 여러가지 외형을 가지는 디바이스에서도 효율적으로 장착이 가능한 전지셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 전지셀의 제조가 가능할 수 있는 구조 및 제조 방법의 전극조립체 및 전지케이스를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,
상부 케이스 및 하부 케이스로 이루어져 있고, 상기 상부 케이스 및/또는 상기 하부 케이스에 전극조립체의 장착을 위한 수납부가 형성되어 있는 전지케이스, 및
다수의 전극들 또는 유닛셀들이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고 그 중 적어도 둘 이상의 전극들 또는 유닛셀들은 평면 크기가 서로 다른 전극조립체, 반지름 또는 장축의 길이가 서로 다른 2개의 전극 롤들을 포함하는 하나의 와인딩형 전극조립체, 반지름 또는 장축의 길이가 서로 다른 둘 이상의 와인딩형 전극조립체들을 적층한 구조의 복합 전극조립체 및 다수의 전극들 또는 유닛셀들이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고 그 중 적어도 둘 이상의 전극들 또는 유닛셀들은 평면 크기가 서로 다르며, 전극들 및/또는 유닛셀들의 평면과 적어도 하나의 측면을 시트형의 분리필름이 감싸고 있는 스택 앤 폴딩형 전극조립체 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 전극조립체 또는 복합 전극조립체를 포함하며,
상기 전지케이스의 수납부는 상기 전극조립체의 외면 형상에 대응하는 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은 상기와 같은 특정한 구조에 기반하여 다양한 용량 및 크기를 가진 전지셀로 제작될 수 있고, 이러한 전지셀을 장착하는 디바이스의 제조에 있어서, 전지셀이 디바이스의 다양한 공간에 장착될 수 있으므로, 디바이스 내부 공간 활용도를 극대화 시킬 수 있다.
상기 계단 형상의 단차 구조는 적층면의 면적이 서로 다른 n 개의 전극군들이 적층된 경우, 단의 개수는 n 단일 수 있다. 이 때, n은 2이상의 자연수이고, n은 디바이스의 용량 내지 디바이스의 외주면의 곡률 등을 고려하여 적절히 조절할 수 있을 것이다.
상기 전극 조립체가 포함하는 평면 크기가 서로 다른 전극들 및/또는 유닛셀들의 수는, 당업자가 전지셀이 장착되는 디바이스이 형상 및 필요한 용량에 따라 그 수를 조정할 수 있다. 2개 내지 3개의 단위셀들로 구성된 전극조립체는 물론, 4개 이상의 단위셀들로 이루어진 전극조립체를 구성할 수 도 있음은 물론이다.
상기 다수의 전극들 또는 유닛셀들이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고 그 중 적어도 둘 이상의 전극들 또는 유닛셀들은 평면 크기가 서로 다른 전극조립체, 즉 적층형 전극조립체는, 양극판과 음극판 중 어느 하나가 분리판들 사이에 개재되어 있고, 양극판, 음극판, 분리판들은 적층된 상태에서 양극판과 음극판 중 어느 하나의 분리판이 최외각을 구성하도록 접합(laminate)되어 있는 구조의 제 1 전극군을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 적층형 전극조립체는 분리판들이 최외각을 구성하도록, 양극판, 음극판, 분리판이 적층된 상태에서 접합(laminate)되어 있는 제 2 전극군을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 분리판들 중 하나는 제 2 분리막을 구성하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 전극군은, 양극판, 분리판, 음극판, 분리판이 순차적으로 스택된 상태로 접합(laminate)된 구조 또는 음극판, 분리판, 양극판, 분리판이 순차적으로 스택된 상태로 접합된 구조일 수 있다.
상기 적층형 전극조립체는, 양극판과 음극판이 최외각을 구성하고, 분리판이 양극판과 음극판 사이에 개재되도록, 양극판, 음극판, 분리판이 적층된 상태에서 접합되어 있는 제 3 전극군을 포함할 수 있다.
상기 적층형 전극조립체는, 양극판과 음극판 중 어느 하나와 하나의 분리판이 적층된 상태에서 접합되어 있는 제 4 전극군을 포함할 수 있다.
상기 적층형 전극조립체는, 상기 제 1 전극군들 만이 적층된 구조일 수도 있고, 제 2 전극군들 만이 적층된 구조일 수도 있으며, 제 3 전극군들 만이 적층된 구조일 수도 있고, 제 4 전극군들 만이 적층된 구조일 수도 있으며, 이들의 조합일 수도 있다.
상기 제 1 전극군의 최상단 또는 최하단에는 제 2 전극군이 스택되어 있을 수 있다.
제 2 전극군들만이 적층되어 있는 구조는 제 2 전극군들 사이에 양극판 또는 음극판 중 어느 하나가 개재되어 있을 수 있다.
상기 제 1 전극군 내지 제 4 전극군에는 양극판, 분리판, 음극판의 스택 구조를 더욱 견고히 유지하는 고정 부재가 더 부가되어 있을 수 있다.
상기 고정부재는, 제 1 전극군 또는 제 2 전극군과는 별개의 외부 부재로서, 전극군의 외주면의 일부 또는 전부를 감싸고 있는 점착 테이프 또는 접착 테이프일 수 있다.
상기 전극군의 외주면은, 전극군의 측면, 평면, 전면, 후면 등을 모두 포함하는 개념일 수 있다.
상기 고정부재는, 전극군을 구성하는 분리판의 일부일 수 있고, 이 경우, 분리판의 말단을 열융착시킴으로써 전극군을 고정시킬 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 분리판의 말단은 양극판과 음극판의 크기, 즉, 가로길이 또는 세로길이에 비해 길게 연장되어 있을 수 있다. 연장된 분리판의 말단은 서로 열융착될 수 있다.
상기 고정부재는, 제 1 전극군 또는 제 2 전극군을 고정시킬 수 있는 기능을 할 수 있는 부재를 모두 포함한다.
상기한 제 1 전극군과 제 2 전극군을 포함하여 적층형 전극조립체를 구성하는 경우, 양극판, 음극판, 분리판이 단순히 스택되어 있는 구조의 적층형 전극조립체에 비해 양산성 내지 양품률을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1 전극군 단위로 양극판, 분리판, 음극판이 서로 접합되어 있는 상태이므로, 스웰링으로 인한 부피팽창을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
상기한 제 1 전극군과 제 2 전극군을 포함하여 적층형 전극조립체를 구성하는 경우, 폴딩 공정으로 구현되는 전극조립체의 어라인 불량이나 공정설비를 제거하고, 하나의 라미네이터만을 가지고 제 1 전극군 또는 제 2 전극군의 형성을 완료하고, 단순 스택으로 적층형 전극조립체를 구현할 수 있게 되는 바, 폴딩 공정시 발생하는 전극 손상이 감소되며, 전해액 젖음성이 향상될 수 있고, 외부로 노출되는 분리판을 단면 유무기 복합 분리막(SRS 분리막)을 적용할 수 있게 되어 셀의 두께가 감소함과 동시에 공정 비용을 절감할 수 있게 된다.
또한, 서로 다른 크기의 전극들 또는 유닛셀들이 상하로 적층된 구조로 이루어져 있으므로, 전지용량을 증대시킴과 동시에 콤팩트 한 구조로 잉여 공간의 활용도를 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 평면 크기가 서로 다른 둘 이상의 전극들 또는 유닛셀들은, 전극들 또는 유닛셀들의 두께, 너비(가로 길이) 및 폭(세로 길이) 중의 적어도 하나가 다른 구조일 수 있다.
이러한 전극들 또는 유닛셀들의 크기 차이는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 전극들 또는 유닛셀의 두께, 너비(가로 길이) 및 폭(세로 길이) 중의 적어도 하나가 다른 구조일 수 있다.
첫 번째 예에서, 두 개의 전극들 또는 유닛셀들을 비교할 때, 너비와 폭이 동일한 조건에서, 상대적으로 작은 전극 또는 유닛셀의 두께는 상대적으로 큰 전극 또는 유닛셀의 두께의 20% 내지 95%의 범위, 더욱 구체적인 예에서 30 내지 90%의 범위일 수 있다.
두 번째 예에서, 두 개의 전극들 또는 유닛셀들을 비교할 때, 두께와 폭이 동일한 조건에서, 상대적으로 작은 전극 또는 유닛셀의 너비는 상대적으로 큰 전극 또는 유닛셀의 너비의 20% 내지 95%의 범위, 더욱 구체적인 예에서 30% 내지 90%의 범위일 수 있다.
세 번째 예에서, 두 개의 전극들 또는 유닛셀들을 비교할 때, 두께와 너비가 동일한 조건에서, 상대적으로 작은 전극 또는 유닛셀의 폭은 상대적으로 큰 전극 또는 유닛셀의 폭의 20% 내지 95%의 범위, 더욱 구체적인 예에서 30% 내지 90%의 범위일 수 있다.
그러나, 상기 예들은 일부 예에 지나지 않음은 물론이다.
본 발명에서 상기 전극 또는 유닛셀의 ‘두께’는 상기 전극 또는 유닛셀이 적층되는 방향으로의 높이를 의미하고, 상기 ‘너비(가로 길이)’ 및 ‘폭(세로 길이)’는 각각 상기 전극 또는 유닛셀이 적층되는 방향의 수직 방향으로의 가로 및 세로의 길이를 의미한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 유닛셀은, 1개 이상의 양극과 1개 이상의 음극이 분리막이 개재된 상태로 적층된 구조에서 양면에 위치한 전극의 종류가 동일한 유닛셀, 또는 양면에 위치한 전극의 종류가 다른 유닛셀일 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 유닛셀들은 전극 단자들이 전기적으로 연결된 상태일 수도 있다.
상기 유닛셀들의 적층 구조는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 전극조립체의 하부로부터 상부쪽으로 유닛셀의 크기가 작아지는 배열로 적층되어 있을 수 있다. 따라서, 크기가 서로 다른 전지셀들을 적층한 구조의 종래기술과 비교하여 사공간을 최소화하여 동일한 크기 대비 전지용량을 증대시킬 수 있으므로, 매우 바람직하다.
상기 전지셀은, 예를 들어, 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀일 수 있지만, 그것 만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 파우치형 전지셀은, 구체적으로, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 전지케이스의 외부로 돌출된 전극단자들과 연결된 상태로 내장되어 있는 구조일 수 있다.
상기 전지케이스는 계단 형상의 단차가 형성될 수 있는 소정의 유연성을 가지는 두께로 제조된다. 상기 전지케이스의 두께가 너무 두꺼우면 단차를 형성하는 과정에서 유연성의 부족으로 파손의 위험이 있으며, 전지셀 자체의 부피 및 무게가 증가하는 단점이 있고, 반대로 전지케이스의 두께가 너무 얇으면 외부충격 등에 의해 전지케이스가 쉽게 파손되는 문제가 발생한다. 따라서, 상기 전지케이스는 단차를 형성함에 있어서 적절한 유연성을 가지면서도, 외부충격에 충분한 내구성을 가지는 50 내지 200 μm 의 두께로 제조될 수 있다.
이러한 전지케이스를 구성하는 상부 케이스와 하부 케이스는 서로 독립적인 부재들일 수도 있고, 일측 단부가 연결되어 있는 실질적으로 하나의 부재일 수도 있다.
상기 전지케이스의 수납부의 계단 형상의 단차는 여러가지 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내면에 계단 형상의 단차가 형성된 다이에 전지케이스를 삽입하고 압력을 가하여 수납부에 계단 형상의 단차를 형성시키는 방법이 사용될 수 있다.
또한, 서로 다른 크기의 전극들 또는 유닛셀들이 적층된 전극조립체를 전지케이스의 수납부에 삽입하고, 상기 수납부 내부에 진공을 인가하여 상기 수납부가 수축함으로써 계단 형상의 단차를 형성시킬 수도 있다.
구체적으로, 상기 전극조립체는 평면 크기가 다른 다수의 전극들 또는 유닛셀들이 적층되어 있는 구조로 이루어질 수도 있고, 반지름 또는 장축의 길이가 서로 다른 2개의 전극 롤들을 포함하는 하나의 와인딩형 전극조립체일 수도 있으며, 또는 반지름 또는 장축의 길이가 서로 다른 둘 이상의 와인딩형 전극조립체들을 적층한 구조일 수도 있다.
이러한 전극조립체를 전지케이스의 수납부에 장착하고, 상기 수납부에 진공을 가하면 전극조립체의 외형에 대응하여 전지케이스가 수축하면서 변형됨으로써 계단 형상의 단차를 형성시키는 방법을 사용할 수 있다.
이러한 진공 인가 방식은 전극조립체의 디자인이 바뀔 때마다 새로운 전지케이스를 제조하여야 하는 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 응력이 국부적으로 집중되는 현상을 억제할 수 있다.
상기 전지케이스의 수납부는 전극조립체가 안착될 수 있는 충분한 크기로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 계단 형상의 단차 형성 부위가 수직 단면상으로 단차 형상에 대응하여 곡면 형상으로 이루는 구조일 수 있다. 따라서, 진공의 인가 시, 상기 수납부의 곡면 부위와 전극조립체 사이의 잉여 공간이 제거되도록 상기 수납부의 곡면 부위가 전극조립체에 밀착될 때, 상기 수납부가 수축되는 크기를 최소화할 수 있다.
하나의 예로, 상기 전지케이스의 수납부는 전극조립체의 상단 크기에 대응하는 평면 부위를 포함하는 반구형 형상으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 수납부의 반구형 형상으로 이루어진 부위가 변형되어 계단 형상의 단차가 형성될 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 전지케이스의 수납부는, 예를 들어 몰딩에 의하여 대략 전극조립체의 외형에 대응하는 1 차 계단 형상의 단차를 형성시키고, 상기 전지케이스 내부에 진공을 인가하여 2 차 계단 형상의 단차를 형성시켜 계단 형상의 단차를 완성할 수 있다. 이러한 과정은 진공의 인가 과정에서 무리한 변형에 의한 전지케이스의 파손을 방지하고, 전지케이스의 두께가 두꺼운 경우에도 계단형 단차를 용이하게 형성시킬 수 있는 잇점을 제공할 수 있다.
한편, 상기 전지케이스의 수납부를 변형시켜 계단 형상의 단차를 형성시킬 때, 전극 조립체의 외형에 대응하는 구조의 계단형 누름 부재를 사용하여 전지케이스의 수납부를 압박한 후 또는 압박과 동시에 전지케이스 내부에 진공을 인가하여 계단 형상의 단차를 형성시킬 수 있다. 상기 계단 형상의 단차를 형성시키는 과정에서 상기와 같은 계단형 누름 부재를 사용함으로써 단차 형성 과정에서의 불량률을 줄이고, 보다 정확한 형상의 계단 형상의 단차를 형성시킬 수 있다.
상기 전지셀은 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지셀일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
본 발명의 전지셀들은 다양한 방식으로 제조될 수 있다.
첫 번째 구체적인 제조 방법은,
전극조립체를 수납하는 수납부가 형성된 전지케이스를 제조하는 과정,
평면 크기가 서로 다른 둘 이상의 전극들 또는 유닛셀들을 포함하는 다수의 전극들 또는 유닛셀들을 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층하여 전극조립체를 제조하거나 시트형의 양극과 시트형의 음극 사이에 시트형의 분리막이 개재되도록 시트형의 양극, 시트형의 분리막, 시트형의 음극을 순서대로 적층한 후 일단과 타단을 모두 시계방향으로 권취하거나 또는 모두 일단과 타단을 모두 반시계 방향으로 권취하여 2개의 전극 롤들을 포함하는 하나의 와인딩형 전극조립체를 제조하거나, 또는 시트형의 양극과 시트형의 음극 사이에 시트형의 분리막이 개재되도록 시트형의 양극, 시트형의 분리막, 시트형의 음극을 순서대로 적층한 후 일단을 권취하여 제조한 와인딩형 전극조립체 2개 이상을 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층하여 복합 전극조립체를 제조하거나 시트형의 분리막에 양극판, 음극판 및 스택형 전극조립체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 극성체를 배열한 후, 시트형의 분리막을 권취하거나 폴딩하여 스택 앤 폴딩형 전극조립체를 제조하는 과정,
상기 전지케이스의 수납부에 상기 전극조립체를 장착하고, 전지케이스의 일측 외주면을 제외한 나머지 외주면을 실링하는 과정,
상기 전지케이스의 실링되지 않은 일측 외주면을 통해 전지케이스 내부에 전해액을 주입하여 전극조립체를 함침시키는 과정,
상기 전지케이스의 실링되지 않은 일측을 통하여 진공을 인가하여 전지케이스와 전극조립체 사이의 잉여 공간을 제거하는 과정, 및
전지케이스를 밀봉하는 과정을 포함할 수 있다.
두 번째 구체적인 제조 방법은,
전극조립체를 수납하는 수납부가 형성된 전지케이스를 제조하는 과정,
평면 크기가 서로 다른 둘 이상의 전극들 또는 유닛셀들을 포함하는 다수의 전극들 또는 유닛셀들을 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층하여 전극조립체를 제조하거나 시트형의 양극과 시트형의 음극 사이에 시트형의 분리막이 개재되도록 시트형의 양극, 시트형의 분리막, 시트형의 음극을 순서대로 적층한 후 일단과 타단을 모두 시계방향으로 권취하거나 또는 모두 일단과 타단을 모두 반시계 방향으로 권취하여 2개의 전극 롤들을 포함하는 하나의 와인딩형 전극조립체를 제조하거나, 또는 시트형의 양극과 시트형의 음극 사이에 시트형의 분리막이 개재되도록 시트형의 양극, 시트형의 분리막, 시트형의 음극을 순서대로 적층한 후 일단을 권취하여 제조한 와인딩형 전극조립체 2개 이상을 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층하여 복합 전극조립체를 제조하거나 시트형의 분리막에 양극판, 음극판 및 스택형 전극조립체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 극성체를 배열한 후, 시트형의 분리막을 권취하거나 폴딩하여 스택 앤 폴딩형 전극조립체를 제조하는 과정,
상기 전지케이스의 수납부에 상기 전극조립체를 장착하고, 전지케이스의 일측 외주면을 제외한 나머지 외주면을 실링하는 과정,
상기 전지케이스의 실링되지 않은 일측을 통하여 진공을 인가하여 전지케이스와 전극조립체 사이의 잉여 공간을 제거하는 과정,
상기 전지케이스의 실링되지 않은 일측 외주면을 통해 전지케이스 내부에 전해액을 주입하여 전극조립체를 함침시키는 과정, 및
전지케이스를 밀봉하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 예시적인 전지셀 제조 방법들에서, 상기 전극조립체를 함침시키는 과정 이후에, 전지셀을 1회 또는 그 이상 충방전 하여 전지셀을 활성화 시키는 과정, 및 상기 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하는 과정이 추가로 포함될 수 있다.
참고로, 리튬 이차전지는, 예를 들어, 양극 활물질로 LiCoO2 등의 리튬 전이금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료를 사용하며, 음극과 양극 사이에 폴리올레핀계 다공성 분리막을 개재하고, LiPF6 등의 리튬염을 포함하는 비수성 전해액을 넣어서 제조하게 된다. 충전시에는 양극 활물질의 리튬 이온이 방출되어 음극의 탄소층으로 삽입되고, 방전시에는 반대로 음극 탄소층의 리튬 이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입되며, 이때 비수성 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬 이온을 이동시키는 매질 역할을 한다. 이러한 리튬 이차전지는 기본적으로 전지의 작동 전압 범위에서 안정해야 하고, 충분히 빠른 속도로 이온을 전달할 수 있는 성능을 가져야 한다.
그러나, 계속적인 충방전 과정에서 음극 활물질의 표면에서 전해액이 분해되면서 가스가 발생하며, 초기 충방전 과정에서 음극 활물질 표면에 SEI 막이 형성되어 추가적인 가스 발생을 억제한다. 따라서, 전지셀 활성화 과정은 이러한 SEI 막의 형성을 위해 필요하며, 최종적인 전지셀의 제조 이전에 반드시 요구된다.
이 때, 상기 수납부 내부에 진공을 인가하여 전지케이스와 전극조립체 사이의 잉여 공간을 제거하는 과정은 상기 가스를 제거하는 과정과 동시에 실행될 수 있다. 즉, 상기 수납부 내부에 진공을 인가함으로써, 전지셀 활성화 과정에서 발생된 가스를 제거하고, 동시에 전지케이스 수납부를 변형시켜 계단 형상의 단차를 형성시킬 수 있다. 따라서, 전지케이스의 수납부에 계단 형상의 단차를 형성하는 과정은 별도의 장비가 필요없을 뿐 만 아니라 기존의 공정을 이용하여 용이하게 진행될 수 있다.
또한, 상기 전지케이스의 실링되지 않은 일측을 통하여 진공을 인가하여 전지케이스와 전극조립체 사이의 잉여 공간을 제거하는 과정에서, 전극 조립체의 외형에 대응하는 구조의 계단형 누름 부재를 사용하여 전지케이스의 수납부를 압박한 후 또는 압박과 동시에 전지케이스 내부에 진공을 인가하여 계단 형상의 단차를 형성시킬 수 있다. 계단 형상의 단차 형성 과정에서 상기와 같은 계단형 누름 부재를 사용함으로써, 보다 정확한 형상의 계단 형상의 단차를 형성시킬 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로서 둘 이상 포함하고 있는 전지팩을 제공한다. 즉, 상기 전지셀을 단위전지로서 둘 이상을 직렬 및/또는 병렬로 연결한 구조의 전지팩을 제공하고, 이러한 전지팩은 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등의 디바이스에 사용될 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 계단형 단차를 형성시킴으로써, 전지셀의 장착 공간 확보를 용이하게 하고, 디바이스 내부 공간 활용도를 극대화 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 디바이스에 고용량의 전지셀 사용이 가능하며, 디바이스를 더욱 소형화 시키는 효과를 제공한다.
또한, 전극조립체와 전지케이스와 구조적 특징으로 인해 디자인의 변경에 불구하고 소망하는 전지셀을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 종래의 전지셀에 대한 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 평면도이다;
도 3은 도 2의 수직 단면도이다;
도 4는 수납부가 형성된 전지케이스의 사시도이다;
도 5는 몰딩에 의하여 수납부에 1 차 계단 형상의 단차가 형성된 전지케이스의 사시도이다;
도 6은 크기가 다른 유닛셀들이 적층된 전극조립체의 사시도이다;
도 7 내지 도 9는 전지케이스의 수납부가 변형되는 과정에 관한 모식도들이다;
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다;
도 11는 도 10의 수직 단면도이다;
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 전극군의 구조를 도시한 것이다;
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 전극군의 구조를 도시한 것이다;
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 전극조립체를 도시한 모식도이다;
도 15는 도 12의 제 1 전극군의 고정구조의 모식도이다;
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 전극군의 제조공정도를 도시한 것이다;
도 17은 크기가 다른 전극군들이 적층된 구조의 전극조립체의 모식도이다.
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 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전지셀(100)은 전극조립체(120)가 라미네이트 시트의 파우치 전지케이스(110)에 내장되어 있는 구조로서, 전극조립체(120)와 전기적으로 연결된 전극리드(130)가 전지케이스(110) 외부로 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 전지케이스(110)는 상부 케이스(111) 및 하부 케이스(112)로 구성되며, 상부 케이스(111)에는 전극조립체(120)의 장착을 위한 수납부(116)가 형성되어 있다.
전극조립체(120)는 크기가 다른 다수의 유닛셀들(122, 124, 126)이 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층되어 있고, 전지케이스(110)의 수납부는 다수의 유닛셀들(122, 124, 126)이 적층된 구조의 외면 형상에 대응하여 계단 형상의 단차(114)가 형성된 구조로 이루어져 있다.
이러한 구조의 전지셀(100)은 다양한 용량 및 크기를 가지는 전지셀로 제작될 수 있고, 종래의 전지셀이 장착되기 곤란했던 공간까지 용이하게 장착 가능할 뿐 만 아니라, 디바이스의 내부 구조에 따라서 한정된 공간에서 더 큰 용량을 가지는 전지셀을 장착할 수 있으므로 디바이스 내부 공간 활용도를 극대화 시킬 수 있다.
도 4에는 수납부가 형성된 전지케이스의 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 몰딩에 의하여 수납부에 1차 계단 형상의 단차가 형성된 전지케이스의 사시도가 도시되어 있으며, 도 6에는 크기가 다른 유닛셀들이 적층된 전극조립체의 사시도가 도시되어 있다.
먼저, 도 4 및 도 6을 참조하면, 전극조립체(120)는 전극조립체(120)의 하부로부터 상부쪽으로 유닛셀들(122, 124, 126)이 크기가 작아지는 배열로 적층된 구조를 이루고 있고, 전지케이스(110)의 수납부(116)는 유닛셀들(122, 124, 126)이 적층된 구조로 이루어진 전극조립체(120)가 충분히 안착될 수 있는 크기로서 단차가 형성될 곡면 부위(117)를 포함하고 있다. 결과적으로, 수납부(116)는 상단에 전극조립체(120)의 상단 크기에 대응하는 평면 부위를 포함하는 반구형 형상으로 이루어져 있다.
또한, 도 5 및 도 6을 참조하면, 전지케이스(110’)의 수납부(116’)는 몰딩에 의해 대략 전극조립체의 외형에 대응하는 계단 형상의 단차(114’)가 형성되어 있다. 이러한 전지케이스(110’)의 계단 형상의 단차(114’)는 전극조립체(120)가 충분히 안착될 수 있는 크기로 형성되며, 추후 진공의 인가 과정에서 잉여 공간이 제거되면서 전극조립체(120)에 더욱 밀착된 계단 형상의 단차를 형성한다.
도 7 내지 도 9에는 전지케이스의 수납부가 변형되는 과정에 관한 모식도들이 도시되어 있다.
도 6 및 도 7을 도 4 및 도 6과 함께 참조하면, 전지케이스(110)의 수납부(116)에 전극조립체(120)를 장착하고 전지케이스(110)의 일측 외주면(119)을 제외한 나머지 외주면을 열융착 실링한 후, 전지케이스(110)의 실링되지 않은 일측을 통하여 진공을 인가하여 전지케이스(110)의 수납부(116)와 전극조립체(120) 사이의 잉여 공간(140)을 제거한다. 진공의 인가 시, 수납부(116)의 곡면 부위(117)가 전극조립체(120)에 밀착되고, 따라서 크기가 다른 유닛셀이 적층된 구조의 외형에 대응하도록 수납부(116)에 계단 형상의 단차(114)가 형성된다.
전지케이스(110)의 수납부(116)는 전극조립체(120)의 상부에 위치한 유닛셀의 크기에 대응하는 평면 부위(118) 및, 계단 형상의 단차(114)를 형성하는 곡면 부위(117)를 포함한다.
한편, 전지셀(100)의 제조 과정에서, 전지케이스(110)에 전극조립체(120)를 수납하고 전해액을 주입하여 전극조립체(120)를 함침시키고, 전지셀을 1회 또는 그 이상 충방전 하여 전지셀을 활성화 시킨 후, 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하는 과정이 포함될 수 있다. 이러한 가스를 제거하는 과정과, 수납부(116) 내부에 진공을 인가하여 전지케이스(110)와 전극조립체(120) 사이의 잉여 공간(140)을 제거하고 계단 형상의 단차(114)를 형성시키는 과정을 동시에 실행함으로써, 제조 공정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 8에는 계단형 누름 부재를 사용하여 계단 형상의 단차를 형성시키는 과정에 관한 모식도들이 도시되어 있다.
도 8을 도 9와 함께 참조하면, 전지케이스(110)의 실링되지 않은 일측을 통하여 진공을 인가하여 전지케이스(110)와 전극조립체(120) 사이의 잉여 공간(140)을 제거하는 과정에서, 전극조립체(120)의 외형에 대응하는 구조의 계단형 누름 부재(150)를 사용하여 전지케이스(110)의 수납부(116)를 압박한 후 또는 압박과 동시에 전지케이스(110) 내부에 진공을 인가하여 계단 형상의 단차(114)를 형성시킨다. 계단 형상의 단차(114) 형성 과정에서 계단형 누름 부재(150)를 사용함으로써, 보다 정확한 형상의 계단 형상의 단차(114)를 형성시킬 수 있다.
도 10에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 사시도가 도시되어 있고, 도 11에는 도 10의 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 전지셀(200)은 각각 길이(AL, BL, CL)와 용량이 다른 전극조립체들(212, 214, 216)이 수직 적층되어 전지케이스(220) 내부에 내장되어 있다. 또한, 수직 적층된 형상은 전지케이스(220) 외부로 돌출된 전극단자(270) 쪽으로 두께가 증가하는 구조로 되어 있다.
한편, 전극조립체들(212, 214, 226)의 용량은 각 전극조립체들(212, 214, 216)의 길이(AL, BL, CL), 높이(AH-BH, BH-CH, CH) 및 폭(도시하지 않음)의 곱에 비례한다.
전지셀(200)의 특이한 구조에서, 크기가 다른 전극조립체들(212, 214, 216)에 의해 우측 상단에 여유 공간(S3)이 생성되고, 이는 상기 전극조립체들(212, 214, 216)의 길이, 높이 및 폭에 반비례한다.
이러한 공간은 적용 디바이스의 불규칙한 내부공간 또는 또 다른 부품들에 의한 간섭 등의 조건에 대응하기 위한 것으로서, 두께가 증가하는 방향 및 적층 두께 증가 정도 역시 적용 상황에 맞도록 유연하게 설계 변경할 수 있다.
제 1 전극군은 도 12에 도시된 구조와 같이 분리판(310), 양극판(320), 분리판(330), 음극판(340)이 순차적으로 적층된 상태로 접합된 구조로 이루어져 있다.
제 2 전극군은, 도 13에 도시되는 구조와 같이, 분리판(410), 음극판(420), 분리판(430)이 순차적으로 적층된 상태로 접합된 구조로 이루어져 있다.
도 14는 도 12의 제 1 전극군들이 적층된 제 1 전극군 적층체의 최상단에 도 13의 제 2 전극군이 적층된 구조의 적층형 전극조립체가 도시되어 있다.
도 15에는, 도 12의 제 1 전극군에 고정부재가 더 부가된 실시예가 도시되어 있다. 구체적으로 제 1 전극군(300)의 측면 또는 전면에는 고정부재(T1)가 더 부가되어 있다.
단순 적층구조로 인해 적층의 안정성을 확보하기 위해, 적층된 구조의 측면에 별개의 부재를 이용하여 고정을 수행할 수 있으며, 이러한 고정부재는 도 15 (a)에 도시된 것과 같이, 제 1 전극군(300)의 전면을 테이핑하는 방식으로 구현하거나, 15 (b)에 도시된 것과 같이, 제 1 전극군(300)의 측면만을 고정하는 고정부재(T2)로 구현하는 것이 가능하다.
도 16은 본 발명에 따른 제 1 전극군의 제조공정을 도시한 공정 모식도이다.
도시된 것과 같이, 분리판(310), 양극판(320), 분리판(330), 음극판(340)의 재료(시트형 구조로 로딩되는 로딩유닛을 이용)를 동시에 로딩하며, 중간층으로 이용되는 양극판(320)을 설계된 크기로 절단하여 로딩하며, 이후 상부와 하부에 배치된 분리판(310, 330)이 동시에 로딩됨과 동시에 음극판(340) 재료가 함께 라미네이터(L1, L2)로 로딩되게 된다.
이후 라미네이터에서는 열과 압력으로 2개의 전극판과 2개의 분리판이 접착된 구조체 즉 제 1 전극군으로 구현하게 되며, 이후 절단기(C3)를 통해 절단하여 제 1 전극군을 완성 후, 두께검사(a), 비전검사(b), 쇼트검사(c) 등의 검사 공정이 추가로 수행될 수 있다.
이후, 이렇게 형성된 제 1 전극군은 고정부재를 이용하여 고정하거나, 적층을 통해 다수의 제 1 전극군이 적층된 구조물로 형성한 후, 도 13의 제 2 전극군을 적층하고, 고정부재를 통해 고정하는 공정을 통해 적층형 전극조립체를 완성할 수 있도록 한다.
도 17에는 크기가 다른 전극군들이 적층된 전극조립체(500)의 구조가 모식적으로 도시되어 있다. 도 17을 참조하면, 제 1 전극군(510)은 제 2 전극군(520)보다 평면상의 크기가 큰 구조로 형성되어 있으며, 이러한 제 1 전극군(510)상에 제 2 전극군(520)이 적층되어 계단 형상의 단차를 형성하고 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

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  14. 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    전극조립체를 수납하는 수납부가 형성된 전지케이스를 제조하는 과정;
    평면 크기가 서로 다른 둘 이상의 전극들 또는 유닛셀들을 포함하는 다수의 전극들 또는 유닛셀들을 평면을 기준으로 높이 방향으로 적층하여 전극조립체를 제조하는 과정;
    상기 전지케이스의 수납부에 상기 전극조립체를 장착하고, 전지케이스의 일측 외주면을 제외한 나머지 외주면을 실링하는 과정;
    상기 전지케이스의 실링되지 않은 일측 외주면을 통해 전지케이스 내부에 전해액을 주입하여 전극조립체를 함침시키는 과정;
    상기 전지케이스의 실링되지 않은 일측을 통하여 진공을 인가하여 전지케이스와 전극조립체 사이의 잉여 공간을 제거하는 과정; 및
    전지케이스를 밀봉하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 전지케이스의 실링되지 않은 일측을 통하여 진공을 인가하여 전지케이스와 전극조립체 사이의 잉여 공간을 제거하는 과정에서, 상기 전극 조립체의 외형에 대응하는 구조의 계단형 누름 부재를 사용하여 전지케이스의 수납부를 압박한 후 전지케이스 내부에 진공을 인가하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
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  16. 제 14 항에 있어서, 상기 전극조립체를 함침시키는 과정 이후에, 전지셀을 1회 또는 그 이상 충방전 하여 전지셀을 활성화 시키는 과정, 및 상기 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 가스를 제거하는 과정과 상기 진공을 인가하여 전지케이스와 전극조립체 사이의 잉여 공간을 제거하는 과정은 동시에 실행되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조 방법.
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