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KR102080502B1 - 둘 이상의 전극조립체를 포함하는 파우치형 전지셀 - Google Patents

둘 이상의 전극조립체를 포함하는 파우치형 전지셀 Download PDF

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KR102080502B1
KR102080502B1 KR1020150135081A KR20150135081A KR102080502B1 KR 102080502 B1 KR102080502 B1 KR 102080502B1 KR 1020150135081 A KR1020150135081 A KR 1020150135081A KR 20150135081 A KR20150135081 A KR 20150135081A KR 102080502 B1 KR102080502 B1 KR 102080502B1
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electrode assembly
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battery
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김동명
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Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체들과, 상기 전극조립체들이 내장되는 수납부가 형성되어 있는 전지케이스를 포함하고 있고; 상기 전극조립체들은 적어도 둘 이상의 전극조립체들이 평면 배열로 상기 수납부에 내장되어 있고, 상기 전극조립체들은 각각 전지케이스 외부로 노출된 독립적인 전극 단자들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

둘 이상의 전극조립체를 포함하는 파우치형 전지셀 {Pouch-typed Battery Cell Having Two or More Electrode Assemblies}
본 발명은 둘 이상의 전극조립체를 포함하는 파우치형 전지셀에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 '유비쿼터스 사회'로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.
상기한 리튬 이차전지는, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
파우치형 전지셀은 고출력 고용량을 필요로 하는 디바이스에 장착되기 위해, 다수의 파우치형 전지셀들을 전기적으로 연결하여 전지모듈 또는 전지팩으로 구성되기도 한다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 파우치형 전지셀의 일반적인 구조가 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(20)의 외주면을 콤팩트한 구조로 구성하기 위해, 전지케이스(20)가 실링된 상태에서 전지케이스(20)의 양 측변은 수납부(23) 방향으로 수직으로 절곡되어 밀착된다.
도 2에는 도 1의 파우치형 전지셀들로 구성한 전지팩의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 1의 전지셀들이 접하는 부위(A)의 수직 단면 상 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지팩(50)은 두 개의 전지셀(10)들로 이루어져 있다. 전지셀(10)들은 전극 단자(11)들이 동일한 방향으로 위치한 상태에서 측면 실링부(12)가 접하는 구조로 배열되어 있다.
도 3을 도 2와 함께 참조하면, 전지셀(10)들의 측면 실링부(12)는 전극조립체(30)가 내장되지 않는 사공간(dead space, 60)을 형성하고 있으므로, 전지셀(10)들을 측면이 접하도록 배열하여 전지팩(50)을 구성하는 구조하에서는 측면 실링부(12)들이 차지하는 공간만큼 전지의 용량이 줄어들어 에너지 밀도가 작아지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 파우치형 전지셀을 이용하여 고용량/고출력의 전지 구성시, 사공간을 최소화하고 전극조립체 내장 공간을 추가로 확보하여 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체들과, 상기 전극조립체들이 내장되는 수납부가 형성되어 있는 전지케이스를 포함하고 있을 수 있고;
상기 전극조립체들은 적어도 둘 이상의 전극조립체들이 평면 배열로 상기 수납부에 내장되어 있을 수 있고, 상기 전극조립체들은 각각 전지케이스 외부로 노출된 독립적인 전극 단자들을 포함하고 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 복수의 전극조립체들이 하나의 전지케이스에 형성된 하나의 수납부에 내장됨으로써, 종래의 기술이 복수의 파우치형 전지셀을 연결하여 전지팩 구성시 전지셀의 측면 실링부들에 의해 사공간이 발생하는 것과는 달리, 사공간을 최소화할 수 있고 그에 따라 전극조립체의 내장 공간을 추가로 확보하여 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
상기 전극조립체들은 서로 독립적으로 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 전극조립체는, 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 전극조립체는, 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 전극조립체는, 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 전극조립체는, 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.
상기 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.
본 발명의 하나의 실시예로서, 상기 전극조립체들은 2개의 단위 전극조립체들로 이루어져 있을 수 있다. 구체적으로, 상기 전극조립체들은 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체로 이루어져 있을 수 있다.
상기 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체는 수납부 내에서 인접하여 배열되어 있으므로, 외부 충격 또는 진동에 의해 전극들 간의 접촉이 이루어져 단락이 발생할 수 있다. 따라서, 전극조립체들의 전극들 간의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위해서, 전극조립체들을 상호 절연시키는 구조가 형성되어 있을 수 있다.
전극조립체들을 전기적으로 절연시키기 위한 하나의 실시예로서, 상기 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체는 각각 독립적으로 분리막 시트에 의해 외면이 감싸여 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
전극조립체들을 전기적으로 절연시키기 위한 또 다른 실시예로서, 상기 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체는 하나의 분리막 시트에 의해 외면이 감싸여 있을 수 있고, 상기 분리막 시트의 일측 단부는 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체의 계면에 개재되어 전기적 절연을 이루고 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 분리막 시트는 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체의 계면에 일측 단부가 개재된 상태에서, 먼저 제 1 전극조립체의 외면을 따라 권취될 수 있고, 제 1 전극조립체의 외면을 완전히 감싼 상태에서 제 2 전극조립체의 외면을 따라 권취되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
전극조립체들을 전기적으로 절연시키기 위한 또 다른 실시예로서, 상기 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체가 접하는 계면에는 전기 절연성 부재가 개재되어 있을 수 있다.
이와 같은 구조 하에서는, 상기 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체의 외면을 감싸는 형태의 추가적인 분리막 구조를 배제할 수 있으므로, 콤팩트한 구조의 전지셀을 구성할 수 있다.
구체적으로, 상기 전기 절연성 부재는 전기 절연성의 시트 또는 필름일 수 있다. 전기 절연성의 시트 또는 필름은 상대적으로 얇은 두께를 가지므로, 콤팩트한 구조의 전지셀을 구성할 수 있다.
또한, 상기 전기 절연성 부재는 전기 절연성의 양면 접착 테이프일 수 있다. 전기 절연성의 양면 접착 테이프는 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체에 접착되어 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체 간의 간격을 최소화 할 수 있으므로, 콤팩트한 구조의 전지셀을 구성할 수 있다.
또한, 상기 전기 절연성 부재는 열가소성 또는 열경화성의 고분자 수지일 수 있고, 상기 고분자 수지는 적어도 일부가, 제 1 전극조립체의 외면, 제 2 전극조립체의 외면 및 전지케이스의 내면 중의 적어도 하나에 부착되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다. 따라서, 전지셀의 충방전 과정에서 전지셀 내의 온도가 상승하여 전기 절연성 부재가 수축 또는 팽창하여 변형되더라도, 열가소성 또는 열경화성의 고분자 수지에 의해 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체의 계면으로부터 이탈되지 않고 전기적 절연을 유지할 수 있다.
상기 전기 절연성 부재의 예로서 상기 언급한 구성들뿐만 아니라, 상기 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체 간의 전기적 절연을 달성할 수 있는 소재라면 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 하나의 실시예에서 상기 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체의 이격 거리는 1 mm 이하로 이루어져 있을 수 있다. 상기 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체의 이격 거리가 1mm를 초과하는 경우에는, 전극조립체들 간의 이격 거리만큼 전지셀에 내장될 수 있는 전극조립체의 용량이 작아지므로 전지셀의 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 제 1 전극조립체의 전극 단자들과 제 2 전극조립체의 전극 단자들은 제 1 방향으로 형성되어 있을 수 있다. 상기 전지셀은 평면 상 직사각형 구조로 이루어져 있을 수 있고, 상기 제 1 방향은 상기 전지셀의 중심으로부터 직사각형 구조의 네 변 중 일변으로의 방향을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 제 1 전극조립체의 전극 단자들과 제 2 전극조립체의 전극 단자들이 제 1 방향으로 형성되어 있는 구조는, 상기 제 1 전극조립체의 전극 단자들과 제 2 전극조립체의 전극 단자들이 상기 전지셀의 네 변 중 일변에 같이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 제 1 전극조립체의 전극 단자들은 제 1 방향으로 형성되어 있을수 있고, 상기 제 2 전극조립체의 전극 단자들은 제 1 방향에 대향하는 제 2 방향으로 형성되어 있을 수 있을 수 있다. 따라서, 상기 제 1 전극조립체의 전극 단자들은 전지셀의 네 변 중 일변에 형성되어 있을 수 있고, 제 2 전극조립체의 전극 단자들은 상기 일변에 대향하는 타변에 형성되어 있을 수 있다.
상기 제 1 전극조립체의 전극 단자들은 제 1 방향으로 형성되어 있을수 있고, 상기 제 2 전극조립체의 전극 단자들은 제 1 방향에 직교하는 제 3 방향으로 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 제 1 전극조립체의 전극 단자들은 전지셀의 네 변 중 일변에 형성되어 있을 수 있고, 제 2 전극조립체의 전극 단자들은 상기 일변에 인접하는 측변에 형성되어 있을 수 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 것 일 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, 복수의 전극조립체들이 하나의 전지케이스에 형성된 하나의 수납부에 내장됨으로써, 종래의 기술이 복수의 파우치형 전지셀을 연결하여 전지팩 구성시 전지셀의 측면 실링부들에 의해 사공간이 발생하는 것과는 달리, 사공간을 최소화할 수 있고 그에 따라 전극조립체의 내장 공간을 추가로 확보하여 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 전지셀의 분해도이다;
도 2는 도 1의 전지셀들로 구성한 전지팩의 평면도이다;
도 3은 도 2의 전지셀들이 접하는 부위의 수직 단면 상 확대도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면 투시도이다;
도 5는 도 4의 전지셀의 수직 단면도이다;
도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도이다;
도 7은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도이다;
도 8은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도이다;
도 9는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도이다;
도 10은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도이다;
도 11은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도이다.
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 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면 투시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 전지셀의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다
도 4 및 도 5를 참조하면, 전지셀(100)은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 제 1 전극조립체(110) 및 제 2 전극조립체(120)와, 제 1 전극조립체(110) 및 제 2 전극조립체(120)가 내장되는 전지케이스(130)를 포함하고 있다.
전지케이스(130)에는 제 1 전극조립체(110) 및 제 2 전극조립체(120)가 내장되는 하나의 수납부(131)가 형성되어 있고, 제 1 전극조립체(110) 및 제 2 전극조립체(120)는 평면 배열로 수납부(131)에 내장되어 있다.
제 1 전극조립체(110) 및 제 2 전극조립체(120)들은 각각 전지케이스(130) 외부로 노출된 독립적인 전극 단자들(111, 121)을 포함하고 있다.
제 1 전극조립체(110)의 전극 단자(111)는 전지케이스(130)의 네 변 중 상변 상에 제 1 방향으로 형성되어 있고, 제 2 전극조립체(120)의 전극 단자(121)는 제 1 전극조립체(110)의 전극 단자(111)와 동일하게 전지케이스(130)의 상변 상에 제 1 방향으로 형성되어 있다.
제 1 전극조립체(110)는 제 1 분리막 시트(112)에 의해 독립적으로 외면이 감싸여 있고, 제 2 전극조립체(120)는 제 2 분리막 시트(122)에 의해 독립적으로 외면이 감싸여 있다. 그에 따라, 제 1 전극조립체(110) 및 제 2 전극조립체(120)는 전기적으로 절연된다.
제 1 전극조립체(110)와 제 2 전극조립체(120)의 이격 거리(L)는 1mm의 크기로 이루어져 있다. 제 1 전극조립체(110)와 제 2 전극조립체(120)의 이격 거리(L)가 1mm를 초과하는 경우에는, 전극조립체들(110, 120) 간의 이격 거리(L)만큼 전지셀(100)에 내장될 수 있는 전극조립체들(110, 120)의 용량이 작아지므로 전지셀(100)의 에너지 밀도가 저하된다.
도 6에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 제 1 전극조립체(210)와 제 2 전극조립체(220)는 하나의 제 3 분리막 시트(211)에 의해 외면이 감싸여 있어 전기적 절연을 이루고 있다.
구체적으로, 제 3 분리막 시트(211)는 제 1 전극조립체(210)와 제 2 전극조립체(220)의 계면에 일측 단부(212)가 개재된 상태에서, 먼저 제 1 전극조립체(210)의 외면을 따라 권취되고, 제 1 전극조립체(210)의 외면을 완전히 감싼 상태에서 제 2 전극조립체(220)의 외면을 따라 권취되어 있는 구조로 이루어져 있다.
분리막 시트 구조를 제외한 나머지 구조는 도 4 및 도 5에서 설명한 실시예의 구조와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 7에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 제 1 전극조립체(310)와 제 2 전극조립체(320)가 접하는 계면에는 전기 절연성 부재(311)가 개재되어 있다. 제 1 전극조립체(310)와 제 2 전극조립체(320)가 접하는 계면에 전기 절연성 부재(311)가 개재되면 별도의 분리막 시트에 의해 제 1 전극조립체(310)와 제 2 전극조립체(320)의 외면을 감싸는 구조는 배제할 수 있다.
전기 절연성 부재(311)는 전기 절연성의 필름으로 이루어져 있다.
전기 절연성 부재를 제외한 나머지 구조는 도 4 및 도 5에서 설명한 실시예의 구조와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 제 1 전극조립체(410)와 제 2 전극조립체(420)가 접하는 계면에는 양면 테이프(411)가 개재되어 있다. 전기 절연성의 양면 접착 테이프(411)는 제 1 전극조립체(410)와 제 2 전극조립체(420)에 접착되어 제 1 전극조립체(410)와 제 2 전극조립체(420) 간의 간격을 최소화 하여 콤팩트한 구조의 전지셀을 구성한다.
제 1 전극조립체(410)와 제 2 전극조립체(420)가 접하는 계면에 양면테이프(411)가 개재되면 별도의 분리막 시트에 의해 제 1 전극조립체(410)와 제 2 전극조립체(420)의 외면을 감싸는 구조는 배제할 수 있다.
양면 테이프 구조를 제외한 나머지 구조는 도 4 및 도 5에서 설명한 실시예의 구조와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 제 1 전극조립체(510)와 제 2 전극조립체(520)가 접하는 계면에는 열가소성의 고분자 수지(511)가 개재되어 있다.
고분자 수지(511)는 상단부가 제 1 전극조립체(510)의 외면에 부착되어 있고, 하단부가 제 2 전극조립체(520)의 외면에 부착되어 있다. 그에 따라, 전지셀(500)의 충방전 과정에서 전지셀(500) 내의 온도가 상승하여 고분자 수지(511)가 수축 또는 팽창하여 변형되더라도, 열가소성에 의해 제 1 전극조립체(510)와 제 2 전극조립체(520)의 계면으로부터 이탈되지 않고 전기적 절연을 유지한다.
제 1 전극조립체(510)와 제 2 전극조립체(520)가 접하는 계면에 고분자 수지(511)가 개재되면 별도의 분리막 시트에 의해 제 1 전극조립체(510)와 제 2 전극조립체(520)의 외면을 감싸는 구조는 배제할 수 있다.
열가소성의 고분자 수지를 제외한 나머지 구조는 도 4 및 도 5에서 설명한 실시예의 구조와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 10에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 제 1 전극조립체(610)의 전극 단자(611)는 전지케이스(630)의 네 변 중 상변 상에 제 1 방향으로 형성되어 있고, 제 2 전극조립체(620)의 전극 단자(621)는 제 1 전극조립체(610)의 전극 단자(611)와 대향하는 전지케이스(630)의 하변 상에 제 2 방향으로 형성되어 있다.
전극조립체들의 전극 단자 형성 방향을 제외한 나머지 구조는 도 4 및 도 5에서 설명한 실시예의 구조와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 11에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전지셀의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 제 1 전극조립체(710)의 전극 단자(711)는 전지케이스(730)의 네 변 중 상변 상에 제 1 방향으로 형성되어 있고, 제 2 전극조립체(720)의 전극 단자(721)는 제 1 전극조립체(710)의 전극 단자(711)와 직교하는 전지케이스(730)의 우측변 상에 제 3 방향으로 형성되어 있다.
전극조립체들의 전극 단자 형성 방향을 제외한 나머지 구조는 도 4 및 도 5에서 설명한 실시예의 구조와 동일하므로 이에 대한 자세한 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 (19)

  1. 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체들과, 상기 전극조립체들이 내장되는 수납부가 형성되어 있는 수지 외층, 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스를 포함하고 있고;
    상기 전극조립체들은 서로 독립적으로 폴딩형 구조, 또는 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조를 가지며,
    상기 전극조립체들은 적어도 둘 이상의 전극조립체들이 평면 배열로 상기 수납부에 내장되어 있고, 상기 전극조립체들은 각각 전지케이스 외부로 노출된 독립적인 전극 단자들을 포함하고, 상기 전극조립체들의 각 전극 단자들의 일부 또는 전부가 서로 다른 방향을 향하도록 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀에 있어서,
    상기 전극조립체들이 접하는 계면에는 열경화성 고분자 수지로 이루어진 전기 절연성 양면 접착 테이프가 개재되어 있으며,
    상기 양면 접착 테이프는 적어도 일부가, 상기 전극조립체들 일부 또는 전부의 외면 및 전지케이스의 내면 중의 적어도 하나에 부착되어, 상기 전극조립체들 사이의 이격 거리가 1 mm 이하가 되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체들은 제 1 전극조립체와 제 2 전극조립체로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체들은 각각 독립적으로 분리막 시트에 의해 외면이 감싸여 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체들은 하나의 분리막 시트에 의해 외면이 감싸여 있고, 상기 분리막 시트의 일측 단부는 상기 전극조립체들의 계면에 개재되어 전기적 절연을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체들의 전극단자 중 일부는 제 1 방향으로 형성되어 있고, 상기 전극조립체들의 전극단자 중 다른 일부는 제 1 방향에 대향하는 제 2 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체들의 전극단자 중 일부는 제 1 방향으로 형성되어 있고, 상기 전극조립체들의 전극단자 중 다른 일부는 제 1 방향에 직교하는 제 3 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 1 항에 따른 전지셀을 둘 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 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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