KR102052920B1 - 밀봉용 폴딩부를 포함하는 전지셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체; 상기 전극조립체가 내장되는 수납부가 형성되어 있는 제 1 전지케이스; 및 상기 수납부를 감싸도록 제 1 전지케이스 상에 장착되는 제 2 전지케이스;를 포함하고, 상기 제 1 전지케이스와 제 2 전지케이스가 상호 접하는 부위에서, 제 1 전지케이스의 외주부가 제 2 전지케이스의 외주 단부를 감싸는 형태로 밀봉용 폴딩부를 형성하고 있고, 상기 밀봉용 폴딩부에서 제 1 전지케이스와 제 2 전지케이스는 용접에 의해 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.
Description
본 발명은 밀봉용 폴딩부를 포함하는 전지셀에 관한 것이다.
이차전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더 등 모바일 기기들의 전원으로 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지의 사용은 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 이점으로 인해 급속도로 증가되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다.
리튬이온 폴리머 전지(LiPB)는 전극(양극 및 음극)과 분리막을 열융착시킨 전극조립체에 전해액을 함침시킨 구조로서, 주로 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 밀봉한 형태로 많이 사용되고 있다. 따라서, 리튬이온 폴리머 전지를 종종 파우치형 전지로 칭하기도 한다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 파우치형 전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 파우치형 전지의 하면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지셀(10)는, 파우치형의 전지케이스(20) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 내장되어 있고, 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)이 두 개의 전극리드(40, 41)에 각각 용접되어 전지케이스(20)의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일측이 연결되어 있는 덮개(22)로 이루어져 있다.
전지셀(10)에 사용되는 전극조립체(30)는, 도 1에서와 같은 스택형 구조 이외에 젤리롤형 구조 또는 스택/폴딩형 구조도 가능하다. 스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 전극리드(40, 41)에 각각 용접되어 있다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 전지셀(10)은 전극조립체를 외부로부터 완전히 밀봉하기 위하여, 전지케이스(20)의 양측변과 상변을 프레스에 의해 가압 및 가열하여 실링한다. 프레스에 의해 전지케이스(20)의 양측변을 실링하기 위해서, 수납부(23)의 양측변에서 실링부(24)들을 형성한다. 종래의 일반적인 구조에서 실링부(24)는 5 내지 7 mm 의 크기의 폭(W1)으로 형성한다.
이와 같이, 프레스에 의해 가압 및 가열하여 전지케이스를 실링하는 공정은 전지케이스에 전극조립체를 내장하기 위한 수납부를 형성하는 것과 별도로 실링부를 추가로 형성해야 하므로, 전지케이스에 들어가는 모재의 양을 증가시키는 문제가 있다.
또한, 전지케이스의 모재인 라미네이트 시트는 연포장재로 이루어져 있으므로, 프레스에 의해 가압 및 가열하는 공정 중 실링부의 일부가 파단 또는 천공되어 완전히 밀봉되지 않을 수 있다. 그에 따라, 전지셀 내부의 전해액이 누액되는 문제가 발생할 수 있으며, 이는 제조 불량률을 증가시키는 원인이 되고 있다.
따라서, 상기의 문제점을 해결할 수 있는 전지셀이 매우 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 전지셀 제조 공정 중 전지케이스를 밀봉하는 공정에서 발생하는 모재의 소비를 최소화 하여 제조 비용을 절감할 수 있고, 전지케이스의 밀봉 불량률을 저하시켜 안전성을 담보할 수 있는 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체;
상기 전극조립체가 내장되는 수납부가 형성되어 있는 제 1 전지케이스; 및
상기 수납부를 감싸도록 제 1 전지케이스 상에 장착되는 제 2 전지케이스;
를 포함하고,
상기 제 1 전지케이스와 제 2 전지케이스가 상호 접하는 부위에서, 제 1 전지케이스의 외주부가 제 2 전지케이스의 외주 단부를 감싸는 형태로 밀봉용 폴딩부를 형성하고 있고, 상기 밀봉용 폴딩부에서 제 1 전지케이스와 제 2 전지케이스는 용접에 의해 상호 결합되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 제 1 전지케이스의 외주부가 제 2 전지케이스의 외주 단부를 감싸는 형태로 밀봉용 폴딩부를 형성하고 있음으로써, 종래의 실링 공정이 프레스로 가열 및 가압하기 위해 전지케이스에 실링부를 폭 넓게 형성해야 하는 것과는 달리, 컴팩트한 구조의 밀봉용 폴딩부를 형성하므로, 전지케이스를 밀봉하는 공정에서 발생하는 모재의 소비를 최소화 하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 권취 구조로 형성된 밀봉용 폴딩부를 용접하여 제 1 전지케이스와 제 2 전지케이스를 결합함으로써, 전지케이스의 밀봉 불량률을 저하시켜 전해액의 누액을 방지할 수 있으므로, 전지셀의 안전성을 담보할 수 있다.
상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 또는 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 또는 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 폴딩형, 스택형, 스택/폴딩형, 및 라미네이션/스택형의 전극 구조에 대해 상술하면 다음과 같다.
우선, 폴딩형 구조의 단위셀은, 각각의 금속 집전체에 전극활물질을 포함하는 합제를 코팅한 후 건조 및 프레싱한 시트 형태의 양극과 음극 사이에 분리막 시트를 위치시키고, 권취함으로써 제조할 수 있다.
스택형 구조의 단위셀은, 각각의 금속 집전체에 전극 합제를 코팅한 뒤 건조 및 프레싱한 후 소정의 크기로 절취한 양극판과 음극판 사이에 상기 양극판과 음극판에 대응하는 소정의 크기로 절취한 분리막을 개재시킨 후 적층함으로써 제조할 수 있다.
스택/폴딩형 구조의 단위셀은, 양극과 음극이 대면하는 구조로, 둘 이상의 극판들이 적층되어 있는 유닛셀들을 둘 이상 포함하고, 중첩되지 않은 형태로 하나 이상의 분리필름으로 유닛셀들을 권취하거나, 또는 유닛셀의 크기로 분리필름을 절곡하여 유닛셀들 사이에 개재함으로써 제조될 수 있다.
경우에 따라서는, 양극과 음극이 대면하는 구조로, 임의의 유닛셀들 사이 및/또는 최외측 유니셀의 외면에 하나 이상의 단일 극판이 추가로 포함될 수도 있다.
상기 유닛셀은 양측 최외곽의 극판들이 동일한 전극을 가진 S형 유닛셀과, 양측 최외곽의 극판들이 반대 전극을 가진 D형 유닛셀일 수 있다.
상기 S형 유닛셀은, 양측 최외곽의 극판들이 양극인 SC형 유닛셀과, 양측 최외곽의 극판들이 음극인 SA형 유닛셀일 수 있다.
라미네이션/스택형 구조의 단위셀은, 각각의 금속 집전체에 전극 합제를 코팅한 뒤 건조 및 프레싱하고 소정의 크기로 절취한 후, 하부로부터 순차적으로 음극, 음극의 상부에 분리막, 그리고 양극, 그리고 그 상부에 분리막을 적층하여 제조할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 제 1 전지케이스와 제 2 전지케이스는 상호 다른 소재로 이루어져 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 전지케이스는 금속 소재로 이루어져 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 전지케이스는 금속 플레이트로 이루어져 있을 수 있고, 수납부가 전극조립체의 형상에 대응하여 만입되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 제 1 전지케이스는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 있을 수 있지만, 수납부의 형성이 용이하고 소망하는 강성을 담보할 수 있다면 이에 제한되지 않는다.
상기 제 1 전지케이스는, 수납부에 내장되는 전극조립체와 전기적으로 절연되기 위하여, 제 1 전지케이스의 내면은 전기 절연성 소재로 코팅 되어 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 전기 절연성 소재는 폴리올레핀계 수지일 수 있지만, 전지케이스의 내면에의 코팅이 용이하고, 전지케이스와 전극조립체 간의 전기 절연성을 담보 할 수 있다면 이에 제한되지 않는다.
상기 제 1 전지케이스가 금속 소재로 이루어진 것과는 달리, 상기 제 2 전지케이스는, 수지 외층, 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있을 수 있다.
상기 수지 외층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 차단성 금속층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 수지 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
상기 제 2 전지케이스는 평면상으로 판상형의 시트 구조로 이루어져 있을 수 있고, 상기 제 2 전지케이스의 외주면은 상기 제 1 전지케이스의 평면상 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있을 수 있다. 상기 제 2 전지케이스의 평면상 면적은 제 1 전지 케이스의 평면상 면적을 기준으로 95 내지 100 %의 크기로 이루어져 있을 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 밀봉용 폴딩부에서, 상기 제 1 전지케이스의 외주부와 제 2 전지케이스의 외주 단부는 레이저(laser) 용접에 의해 일체로 결합될 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 레이저 용접은 레이저 용접기에 의해 전지셀의 상면에서 용접이 이루어 질 수 있다. 즉, 전지셀의 상면에서 용접이 이루어지므로, 용접 부위는 제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스의 외주부를 따라 밀봉용 폴딩부의 상면에 형성될 수 있다.
또 하나의 실시예에서, 상기 레이저 용접은 레이저 용접기에 의해 전지셀의 측면으로부터 용접이 이루어 질 수 있다. 즉, 밀봉용 폴딩부의 수직면 상 단면이 노출되는 측면으로부터 레이저 용접이 이루어질 수 있으며, 이와 같은 레이저 공정의 경우 밀봉용 폴딩부의 내측으로만 용접 부위가 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 밀봉용 폴딩부는 레이저의 열에 의해 밀봉용 폴딩부의 외측에 위치하는 제 1 전지케이스의 외주부가 먼저 융해되고, 이어서 밀봉용 폴딩부의 내측에 위치하는 제 2 전지케이스의 외주 단부가 융해되면서, 제 1 전지케이스의 외주부와 제 2 전지케이스의 외주 단부가 일체로 결합될 수 있다.
상기 제 2 전지케이스가 수지 외층, 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있을 경우에는, 열에 의해 수지 외층 및 수지 실란트층은 융해되고, 차단성의 금속층이 제 1 전지케이스와 접한 상태에서 레이저 용접되어 제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스가 결합될 수 있다.
상기 전극조립체의 전극 단자는 제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스의 일 측변 또는 서로 다른 측변들로부터 돌출되어 형성되어 있을 수 있다. 즉, 상기 전지셀이 평면상 사각형 형상으로 이루어져 4개의 변을 형성하고 있는 경우, 상기 전극 단자는 제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스의 제 1변, 제 2 변, 제 3 변 또는 제 4 변으로부터 돌출되어 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 전극 단자 중 양극 단자는 일 측변에 돌출되어 형성되어 있을 수 있고, 음극 단자는 상기 일 측변에 인접하는 일변 또는 상기 일 측변에 대향하는 일변에 형성되어 있을 수 있다.
상기 제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스의 전극 단자가 돌출되어 있는 일 측변 또는 서로 다른 측변들은 프레스(press)에 의해 가열 및 가압되어 접착 및 밀봉되어 있을 수 있다.
상기 제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스의 전극 단자가 돌출되어 있는 변은, 전극 단자의 형성 부위에 레이저 용접을 수행하는데 제한이 있을 수 있다. 따라서, 상기 제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스의 전극 단자가 돌출되어 있는 변에 한해서, 프레스에 의해 가열 및 가압하여 해당 부위를 접착 및 밀봉할 수 있다.
상기 밀봉용 폴딩부에서, 제 1 전지케이스의 외주부는, 수납부의 대향면인 제 2 전지케이스의 외면에 접하도록 절곡되어 있을 수 있다. 즉, 상기 밀봉용 폴딩부는 제 2 전지케이스의 상면에 위치하는 구조일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 밀봉용 폴딩부의 폭의 제 2 전지케이스의 폭의 1% 내지 5%의 크기로 이루어져 있을 수 있다. 상기 밀봉용 폴딩부의 폭이 제 2 전지케이스의 폭의 1% 미만의 크기로 이루어져 있을 경우에는, 밀봉용 폴딩부가 작게 형성되어 레이저 용접에 어려움이 있을 수 있다. 반면에, 상기 밀봉용 폴딩부의 폭이 제 2 전지케이스의 폭의 5%를 초과하는 크기로 이루어져 있을 경우에는, 밀봉용 폴딩부의 크기가 불필요하게 증가되어 콤팩트한 구조의 전지셀을 구성하는데 있어 제한이 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 밀봉용 폴딩부의 폭은 1 mm 내지 2 mm의 크기로 이루어져 있을 수 있고, 그에 따라, 종래의 일반적인 전지셀에 비해 전지케이스의 밀봉 공정에서 소비되는 모재를 최소화 할 수 있고, 콤팩트한 구조의 전지셀을 구성할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 밀봉용 폴딩부는 수직 단면 상 직사각형 또는 정사각형 형상으로 이루어져 있을 수 있지만, 원형 또는 타원형 또는 다각형 형상으로 이루어져 있을 수도 있다.
상기 전지셀은 리튬 이차전지일 수 있고, 구체적으로 리튬 이온 전지 또는 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한 상기 전지셀을 둘 이상 포함하고 있는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 휴대폰, 웨어러블 전자기기, 휴대용 컴퓨터, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것일 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, 제 1 전지케이스의 외주부가 제 2 전지케이스의 외주 단부를 감싸는 형태로 밀봉용 폴딩부를 형성하고 있음으로써, 종래의 실링 공정이 프레스로 가열 및 가압하기 위해 전지케이스에 실링부를 폭 넓게 형성해야 하는 것과는 달리, 컴팩트한 구조의 밀봉용 폴딩부를 형성하므로, 전지케이스를 밀봉하는 공정에서 발생하는 모재의 소비를 최소화 하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 권취 구조로 형성된 밀봉용 폴딩부를 용접하여 제 1 전지케이스와 제 2 전지케이스를 결합함으로써, 전지케이스의 밀봉 불량률을 저하시켜 전해액의 누액을 방지할 수 있으므로, 전지셀의 안전성을 담보할 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 전지의 분해도이다;
도 2는 1의 파우치형 전지의 하면도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도이다;
도 4는 도 3의 'A'부위의 용접 전(a) 및 용접 후(b) 상태의 확대도이다;
도 5는 도 3의 전지셀의 하면도이다;
도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도이다.
도 2는 1의 파우치형 전지의 하면도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도이다;
도 4는 도 3의 'A'부위의 용접 전(a) 및 용접 후(b) 상태의 확대도이다;
도 5는 도 3의 전지셀의 하면도이다;
도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 'A' 부위의 용접 전(a) 및 용접 후(b) 상태의 확대도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 3의 전지셀의 하면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 전지셀(100)은 제 1 전지케이스(110), 제 2 전지케이스(120) 및 전극조립체(130) 로 이루어져 있다.
제 1 전지케이스(110)는 알루미늄 계의 금속 플레이트로 이루어져 있고, 수납부(111)가 전극조립체(110)의 형상에 대응하여 만입되어 있는 구조로 형성되어 있다. 제 1 전지케이스(110)의 내면은 전극조립체(130)와의 전기적 절연을 위해서 전기 절연성 소재인 폴리올레핀계 수지로 코팅부(112)가 형성되어 있다.
전극조립체(130)는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 있고, 제 1 전지케이스(110)에 형성되어 있는 수납부(111)에 내장되어 있다.
제 2 전지케이스(120)는 전극조립체(130)가 제 1 전지케이스(110)에 내장된 상태에서 수납부(111)를 감싸도록 제 1 전지케이스(110)의 상부에 장착되어 있다.
제 2 전지케이스(120)는 수지 외층(121), 차단성의 금속층(122), 및 열용융성의 수지 실란트층(123)을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 평면상으로 판상형의 시트 구조로 이루어져 있다. 제 2 전지케이스(120)의 평면상 형상은 제 1 전지케이스(110)의 평면상 형상에 대응하는 직사각형 형상으로 이루어져 있다.
밀봉용 폴딩부(140)에서, 제 1 전지케이스(110)의 외주부와 제 2 전지케이스(120)의 외주 단부는 레이저(laser) 용접에 의해 일체로 결합되어 있다.
밀봉용 폴딩부(140)는 용접 전(a) 상태에서, 제 1 전지케이스(110)의 외주부가 제 2 전지케이스(120)의 외주 단부를 감싸는 형태로 이루어져 있다.
밀봉용 폴딩부(140)는 레이저의 열에 의해 밀봉용 폴딩부(140)의 외측에 위치하는 제 1 전지케이스(110)의 외주부가 먼저 융해되고, 이어서 밀봉용 폴딩부의 내측에 위치하는 제 2 전지케이스(120)의 수지 외층(121) 및 수지 실란트층(123)이 융해되어 밀봉용 폴딩부(140)의 내측으로 이동하며, 융해된 제 1 전지케이스(110)의 외주부는 제 2 전지케이스(120)의 금속층(122)과 일체로 결합된다. 상기와 같은 용접 과정을 거쳐, 밀봉용 폴딩부(140)는 용접 후(b) 상태와 같은 구조로 이루어진다.
상기 전극 조립체(130)의 전극 단자(131)는 제 1 전지케이스(110) 및 제 2 전지케이스(120)의 상측변으로부터 돌출되어 형성되어 있다.
제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스의 전극 단자가 돌출되어 있는 변은, 전극 단자의 형성 부위에 레이저 용접을 수행하는데 제한이 있을 수 있으므로, 제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스의 전극 단자가 돌출되어 있는 변에 한해서, 프레스에 의해 가열 및 가압하여 접착 및 밀봉된다.
밀봉용 폴딩부(140)의 폭(W2)은 제 2 전지케이스(120)의 폭(W3)의 1%의 크기인 1mm의 크기로 이루어져 있다. 그에 따라, 종래의 일반적인 전지셀에 비해 전지케이스의 밀봉 공정에서 소비되는 모재를 최소화 할 수 있고, 콤팩트한 구조의 전지셀을 구성할 수 있다.
밀봉용 폴딩부(140)는 수직 단면 상 직사각형 형상으로 이루어져 있다.
도 6에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 밀봉용 폴딩부(240)에서 제 1 전지케이스(210)의 외주부는, 수납부(211)의 대향 면인 제 2 전지케이스(220)의 상외면에 접하도록 절곡되어 있다. 그에 따라, 밀봉용 폴딩부(240)는 제 2 전지케이스(220)의 상면에 위치하는 구조로 이루어져 있다.
밀봉용 폴딩부(240)가 제 2 전지케이스(220)의 상면에 위치하는 구조를 제외한 나머지 구조는 도 3 내지 도 5에서 설명한 실시예와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (20)
- 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체;
내면이 전기 절연성 소재로 코팅(coating)된 금속 플레이트로 이루어져 있고, 상기 전극조립체가 내장되는 수납부가 전극조립체의 형상에 대응하여 만입되어 있는 구조로 이루어진 제 1 전지케이스; 및
상기 수납부를 감싸도록 제 1 전지케이스 상에 장착되는 수지 외층, 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층을 포함하는 평면상 판상형의 라미네이트 시트로 이루어진 제 2 전지케이스;를 포함하고,
상기 제 1 전지케이스와 제 2 전지케이스가 상호 접하는 부위에서, 제 1 전지케이스의 외주부가 제 2 전지케이스의 외주 단부를 감싸는 형태로 밀봉용 폴딩부를 형성하고 있고, 상기 밀봉용 폴딩부에서 제 1 전지케이스와 제 2 전지케이스의 외주 단부는 레이저(laser) 용접에 의해 상호 결합되되, 상기 밀봉용 폴딩부의 폭은 1 mm 내지 2 mm의 크기로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀. - 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 또는 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전지케이스는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 전기 절연성 소재는 폴리올레핀계 수지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 전극 단자는 제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스의 일 측변 또는 서로 다른 측변들로부터 돌출되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 전지케이스 및 제 2 전지케이스의 전극 단자가 돌출되어 있는 일 측변 또는 서로 다른 측변들은 프레스(press)에 의해 가열 및 가압되어 접착 및 밀봉되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉용 폴딩부에서, 제 1 전지케이스의 외주부는, 수납부의 대향 면인 제 2 전지케이스의 외면에 접하도록 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉용 폴딩부는 수직 단면 상 직사각형 또는 정사각형의 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 따른 전지셀을 둘 이상 포함하고 있는 전지팩.
- 제 18 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 웨어러블 전자기기, 휴대용 컴퓨터, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20151019 |
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| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20180525 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20151019 Comment text: Patent Application |
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20190404 Patent event code: PE09021S01D |
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Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20191202 Patent event code: PR07011E01D |
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