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KR102179678B1 - 보호회로기판과 전지셀 사이에 기계식 연결 구조를 가진 전지팩 - Google Patents

보호회로기판과 전지셀 사이에 기계식 연결 구조를 가진 전지팩 Download PDF

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KR102179678B1
KR102179678B1 KR1020150177916A KR20150177916A KR102179678B1 KR 102179678 B1 KR102179678 B1 KR 102179678B1 KR 1020150177916 A KR1020150177916 A KR 1020150177916A KR 20150177916 A KR20150177916 A KR 20150177916A KR 102179678 B1 KR102179678 B1 KR 102179678B1
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이영규
이석훈
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 상기 전지셀은 적어도 하나 이상의 체결용 관통구가 천공되어 있는 한 쌍의 전극 단자들을 포함하고, 상기 보호회로기판는 전극 단자들에 전기적으로 접속되는 전기 전도성의 접속 플레이트들을 포함하며; 상기 접속 플레이트들 중의 적어도 하나에는 체결용 관통구에 삽입될 수 있는 하나 이상의 돌출 체결부가 형성되어 있고; 상기 보호회로기판에 대한 전극 단자들의 고정 및 전기적 연결을 위해, 상기 돌출 체결부는, 체결용 관통구에 삽입된 상태로, 외주변이 전극 단자 표면에 밀착되도록 확장 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

보호회로기판과 전지셀 사이에 기계식 연결 구조를 가진 전지팩 {Battery Pack with Mechanical Connection Structure between Protection Circuit Board and Battery Cell}
보호회로기판과 전지셀 사이에 기계식 연결 구조를 가진 전지팩에 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 이차전지셀은 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
그러나, 리튬 이차전지셀에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 리튬 이차전지셀에는 과충전 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 보호회로 모듈(PCM; Protection Circuit Module)이 전지셀에 접속된 상태로 내장되어 있다.
PCM은 전류를 통제하는 스위칭 소자로서의 전계 효과 능동소자(FET; Field Effect Transistor)와, 전압 검출기, 저항 및 축전기 등의 수동소자로 구성되어 있으며, 전지셀의 과충전, 과방전, 과전류, 단락, 역전압 등을 차단하여, 전지셀의 폭발이나 과열 또는 누액 및 충방전 특성의 악화를 방지하고, 전기적 성능의 저하와 물리화학적 이상거동을 억제함으로써, 위험 요소를 제거하고 사용수명을 연장시킨다.
이러한 PCM은 보호회로가 마련되어 있는 보호회로기판(PCB; Protection Circuit Board)과 이 PCB를 내장하는 모듈 케이스를 포함하며, 전지팩은, 상기 PCB가 모듈 케이스에 장착된 상태로 전지셀 본체의 외측에 탑재 내지 부착되는 것으로 전지셀에 결합된 형태로 제조될 수 있다.
한편, PCB는 판재 형태로, 그것의 일면에는 보호회로 및 전지 본체와 전기적으로 연결될 수 있도록 접속 부재가 구비되어 있고, 반대편 일면에는 외부기기(예를 들어, 무선 단말기, 노트북, 전기자동차 등)와 접속 되는 외부입출력단자가 구비되어 있는 구조로 이루어져 있다. 따라서, 상기 PCB를 전지셀 본체에 전기적으로 접속하기 위해서, 상기 전지셀의 전극 단자들을 상기 PCB의 접속 부재에 접하여 용접 또는 솔더링 하는 방법이 많이 사용되고 있다.
그러나, 이러한 용접 또는 솔더링 공정은 작업자의 숙련된 기술과 노하우를 필요로 하며, 복잡한 생산 공정과 높은 비용으로 생산 효율을 저해시키는 요인으로 작용한다. 더욱이, 용접 또는 솔더링 공정을 통한 PCB와 전지셀의 연결은 하기와 같이, 전지팩의 품질을 저해하는 원인이 될 수 있다.
구체적으로, 솔더링의 경우, 전극단자 등의 모재의 두께가 얇고, 솔더링 과정에서 솔더 페이스트가 과도하게 사용되는 경우, 솔더 페이스트의 비산이 발생할 수 있으며, 이로 인해 전지뿐 아니라 접속부재를 사용하는 회로기판, 전자기기, 기계 등의 다양한 분야의 조립 공정에서 문제점이 발생하여 전지의 안전성을 위협하고 제품의 불량률을 높이는 원인이 된다.
또한, 용접의 경우에는 용접 모재와의 접촉 계면에서 상당한 저항이 발생하여 회로에 부정적인 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 용접 과정에서 발생되는 스파크에 의해 기판 또는 회로 소자가 손상되면서 전지팩의 품질을 저해할 수 있다.
따라서, 상기와 같이 용접 또는 솔더링 과정에서 발생하는 문제점 및 이에 따른 전지제조 공정에 있어서의 품질 저하에 대한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전지팩 품질을 저해할 수 있는 용접 또는 솔더링의 방식이 아닌, 기계적 연결 구조로 보호회로기판과 전지셀이 접속 및 결합된 구조인 동시에, 그 구조가 매우 콤팩트한 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 하나 이상의 전지셀이 보호회로기판(protection circuit board)에 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서,
상기 전지셀은 적어도 하나 이상의 체결용 관통구가 천공되어 있는 한 쌍의 전극 단자들을 포함하고, 상기 보호회로기판는 전극 단자들에 전기적으로 접속되는 전기 전도성의 접속 플레이트들을 포함하며;
상기 접속 플레이트들 중의 적어도 하나에는 체결용 관통구에 삽입될 수 있는 하나 이상의 돌출 체결부가 형성되어 있고;
상기 보호회로기판에 대한 전극 단자들의 고정 및 전기적 연결을 위해, 상기 돌출 체결부는, 체결용 관통구에 삽입된 상태로, 외주변이 전극 단자 표면에 밀착되도록 확장 절곡되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전지팩은 돌출 체결부가 체결용 관통구와 계합되면서 전극 단자들에 대한 보호회로기판의 고정과 전기적 연결이 달성되는 바, 전지셀과 보호회로기판 간 조립 공정이 간편한 구조로 이루어져 있고, 상기 구조에 기반하여 용접이나 솔더링의 과정에서 유발될 수 있는 품질 저하가 없다.
이하에서는 본 발명에 따른 비제한적인 예들을 통해, 보호회로기판과 전극 단자간 결합 구조를 더욱 구체적으로 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 접속 플레이트들 각각은, 전극 단자의 하면에 밀착되는 플레이트 부; 및 상기 체결용 관통구에 대응되는 위치의 플레이트 부 상에 천공되어 있는 개구;를 포함하고 있고,
상기 돌출 체결부는 개구와 연통되는 구조로 플레이트 부로부터 상향으로 연장된 구조로 접속 플레이트에 형성된 구조일 수 있다.
상기 개구와 연통된 돌출 체결부는, 예를 들어, 지그 등의 압착 부재가 돌출 체결부와 개구를 연속적으로 통과할 때, 상기 압착 부재에 의해 가압 및 절곡 될 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 전극 단자의 하면이 플레이트 부에 밀착되도록 돌출 체결부가 체결용 관통구에 삽입된 상태에서, 전극 단자의 상면 이상으로 돌출되어 있는 돌출 체결부의 상부 부위가 전극 단자의 상면에 밀착되도록 확장 변형된 구조로, 전극 단자와 접속 플레이트가 상호 결합될 수 있다.
따라서, 상기 전극 단자는 플레이트 부와 확장 변형된 상태의 돌출 체결부 사이에서 상면과 하면이 이들에 밀착된 상태로 접속 플레이트에 기계적으로 체결된 구조로 이루어져 있다. 뿐만 아니라, 이러한 밀착에 의해, 전극 단자와 접속 플레이트가 전기적으로 접속될 수 있으며, 이를 위해 상기 접속 플레이트와 돌출 체결부는 전기전도성 소재로 이루어질 수 있고, 상세하게는 구리, 알루미늄, 니켈, 주석 및 납에서 선택되는 하나 이상의 전기전도성 소재로 이루어질 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
여기서, 상기 확장 변형된 구조는, 돌출 체결부의 개구에 가해지는 가압력에 의해 돌출 체결부의 상부 부위가 연신 및 확장되면서 전극 단자의 상면 쪽으로 절곡된 구조로서, 더욱 상세하게는, 상기 확장 변형된 구조는 돌출 체결부에서 돌출된 부위의 외주변이 체결용 관통구와의 경계면 이상으로 연신 및 확장되는 동시에 전극 단자 상면 방향으로 수직 절곡된 상태로 체결용 관통구 주변부를 감싸는 구조; 및 체결용 관통구의 주변부에 밀착된 외주변이 상기 체결용 관통구의 외주를 따라 연신되어 확장된 상태;를 모두 포함한다.
이때, 돌출 체결부가 확장됨에 따라 체결용 관통구의 내면과 이에 밀착되는 돌출 체결부의 외면이 강하게 가압 및 밀착되면서 서로에 대한 공고한 고정 상태를 유지할 수 있다.
본 발명에서 상기 돌출 체결부는, 체결용 관통구에 삽입된 상태에서, 전극 단자의 상면 이상으로 더 돌출될 수 있도록, 전극 단자의 두께 대비 상대적으로 긴 돌출 길이로 돌출된 구조일 수 있으며, 상세하게는 전극 단자의 두께 대비 150% 내지 2000%의 길이로 플레이트 부로부터 돌출될 수 있다.
상기 돌출 체결부의 돌출 길이가 전극 단자의 두께 대비 150% 미만인 경우에는, 상기한 확장 변형이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 체결용 관통구의 주변부를 충분히 감쌀 수 없기 때문에 전극 단자에 대한 기계적 체결 강도 측면에서 바람직하지 않다. 반면에, 상기 돌출 체결부의 돌출 길이가 전극 단자의 두께 대비 2000%를 초과하는 경우에는, 전극 단자의 표면에 대한 돌출 체결부의 수직 절곡이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 돌출 체결부가 체결용 관통구의 외주를 따라 확장 연신되면서 외주변 일부가 파단될 수 있고, 이러한 파단은 전극 단자에 대한 접속 플레이트의 접촉 저항을 유발할 수 있는 바, 바람직하지 않다.
상기 돌출 체결부는 또한, 체결용 관통구에 대한 억지끼움이 가능하도록, 평면상으로 체결용 관통구의 면적 대비 100% 내지 120%의 면적을 가질 수 있다. 따라서, 상기 돌출 체결부가 체결용 관통구에 삽입된 상태에서는 돌출 체결부의 외면과 체결용 관통구의 내면이 상호 강하게 맞물리면서 서로에 대해 고정될 수 있다. 상기 돌출 체결부의 면적이 상기 범위 미만에서는 억지끼움이 가능하지 않으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 억지끼움 과정에서 전극 단자가 파손되거나 변형될 수 있으므로 바람직하지 않다.
특히, 억지끼움 과정에서 발생되는 체결용 관통구의 과도한 변형은 돌출 체결부와의 사이에 소망하지 않는 틈새를 형성할 수 있으며, 이러한 틈새는 전극 단자와 접속 플레이트간 통전 기능을 저해할 뿐만 아니라, 이들의 결합력에도 부정적인 영향을 미칠 수 있는 바, 억지끼움이 가능하면서도 체결용 관통구의 변형이 적도록, 체결용 관통구로 삽입되는 돌출 체결부의 평면상 면적이 체결용 관통구의 면적 대비 약 110%인 것이 더욱 바람직하다.
다만, 더욱 상세한 면적 수치는, 상기 범위 내에서라면 전극 단자의 소재 및 상기 소재의 연신 정도에 따라 소망하는 대로 설정될 수 있음은 물론이다.
상기 플레이트 부와 돌출 체결부는 각각, 전극 단자와의 결합 상태에서 높은 기계적 강성을 담보하는 동시에, 돌출 체결부의 확장 변형 시 돌출 체결부의 연신과 확장 정도와 변형된 상태의 공고한 유지를 위하여, 전극 단자의 두께 대비 상대적으로 두꺼운 두께로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 전극 단자의 두께 대비 110%를 초과하는 두께로 이루어질 수 있으나, 두께가 과도하게 두꺼운 경우에는 오히려 돌출 체결부가 소망하는 형태로 연신되지 않는 바, 전극 단자의 두께 대비 1000% 미만의 두께가 바람직하다.
본 발명에서 상기 체결용 관통구의 평면 형상은 예를 들어 다각형, 원형, 반원형 또는 타원형 구조일 수 있으며, 상기 돌출 체결부는 체결용 관통구의 형상과 동일할 수 있다.
상기 체결용 관통구와 돌출 체결부의 평면 형상이 다각형인 경우에는, 각진 부위에서 서로에 대한 가압력이 높은 장점이 있고, 곡선을 포함하는 원형, 반원형 또는 타원형의 구조에서는 체결용 관통구에 삽입된 돌출 체결부의 절곡이 용이한 구조적 장점을 가진다.
본 발명에서 상기 보호회로기판은, 인쇄회로들(printed circuits);
상기 인쇄회로에 전기적으로 연결되어 있고, 외부 디바이스에 전기적으로 연결되는 외부 입출력 케이블; 및
상기 인쇄회로에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 접속 플레이트를 경유하여 전지셀과 전기적으로 연결되도록, 접속 플레이트가 장착되어 있는 복수의 접속단들;을 추가로 포함하고;
상기 접속단들에는 돌출 체결부와 대응되는 위치에 개구가 형성되어 있을 수 있다.
상기 접속단들에 형성된 개구는, 플레이트 부의 개구 및 돌출 체결부와 연통되며, 그에 따라 지그 등의 압착 부재가 돌출 체결부를 통해 상기 개구들을 연속적으로 통과하면서 돌출 체결부를 가압 및 절곡 시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지팩에서, 상기 전지셀 구조는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장된 상태로 전지케이스의 외주변이 밀봉된 구조이고, 한 쌍의 전극 단자들인 제 1 전극 단자와 제 2 전극 단자가 전지케이스의 밀봉된 일변에서 나란히 위치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 관련된 하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 전극 단자는 전극조립체의 전극 탭들과 직접적으로 연결된 상태로 전지케이스의 밀봉된 일변을 통해 외향으로 돌출되어 있고, 상기 제 2 전극 단자는 상기 전지케이스의 외측에서 TCO(thermal cut off) 및/또는 PTC 소자를 경유하여 전극조립체의 전극 탭들에 간접적으로 연결된 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명의 전지팩은, 과전압 및 과전류 등의 이상 상황에서 TCO(thermal cut off)와 PTC 소자와 같은 안전 부재들이 전극조립체와 제 2 전극 단자 사이에서의 통전 기능을 차단시켜 전지셀의 발화나 폭발 등의 심각한 안전성 문제를 방지할 수 있는 구조이고, 여기에 전지셀에 접속된 보호회로기판을 통해 추가로 안전성을 담보하는 구조로 이루어져 있다.
본 발명의 전지셀에서 상기 전극조립체는 전극 탭들에 연결된 리드 부재를 포함하며, 상기 리드 부재가 전지케이스의 밀봉된 일변을 통해 외부로 노출되어 있으며, 상기 TCO(thermal cut off) 및/또는 PTC 소자는 리드 부재에 전기적으로 연결된 상태로 제 2 전극 단자와 결합된 구조로, 전극조립체와 상기 제 2 전극 단자를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
상기 리드 부재는 전지케이스의 밀봉된 일변을 통해 돌출된 상태에서 돌출 방향에 대한 반대 방향으로 둔각 또는 우각으로 절곡되어 상기 밀봉된 일변과 대면하고 있으며, 상기 일변과 대면하는 리드 부재에는 전기전도성의 금속편이 용접 또는 솔더링에 의해 결합될 수 있다.
이와 같이 절곡된 구조의 리드 부재는 전지케이스의 밀봉된 일변에 인접되는 보호회로기판에 접촉되지 않으면서도 금속편이 일변과 리드 부재 사이에 배치되면서 금속편에 대한 외부 충격을 일부 완화시킬 수 있다.
상기 금속편은, 하나의 예로, 구리, 알루미늄, 니켈 등의 전기전도성 금속일 수 있으며, 또 다른 예로, 전지셀의 발화를 유발하는 이상 고온에서 용융되도록 우드 메탈 합금일 수 있다.
이러한 우드 메탈 합금은 예를 들어, 비스무트(Bi), 납(Pb), 주석(Sn), 및 카드뮴(Cd)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속의 합금일 수 있으나 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 상기 우드 메탈 합금에 전도성 향상을 위한 탄소재, 알루미늄(Al). 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)이 추가로 도금될 수 있다.
상기 금속편에는 TCO 및/또는 PTC 소자가 결합되어 있으며, 상기 TCO 및/또는 PTC 소자는 금속편과 결합된 상태로 제 2 전극 단자에 결합될 수 있으며, 상기 제 2 전극 단자는 상기 밀봉된 일변 상에 장착된 상태로 일변의 단부로부터 외향으로 돌출된 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 전지팩은 또한, 이하에서 상술하는 특별한 구조로 이루어져 있다.
구체적으로, 상기 전지팩은, 한 쌍의 전지셀들의 전극 단자들이 상호 대면하도록 평면 배열된 구조의 하나 이상의 전지셀 배열체;
상면 또는 하면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 감싸는 둘 이상의 전지셀 수납부들을 포함하고 있는 팩 프레임(pack frame); 및
상기 개방된 상면 또는 하면을 감싸도록, 팩 프레임에 장착되는 커버 부재;를 추가로 포함하고,
상기 보호회로기판은 서로 대면하는 전지셀들 사이에서 전극 단자들에 전기적으로 연결된 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 팩 프레임의 특징적인 형상에 의해 전지셀들의 평면 배열이 가능하여 대략 1개의 전지셀의 두께에 대응하는 두께를 가질 수 있다.
또한, 이러한 구조의 전지팩은, 하나의 보호회로기판에 한 쌍의 전지셀들이 연결되는 구조인 바, 와이어 등의 전지셀 상호 연결 부재 등을 사용하지 않고도, 이들 전지셀의 전기적 연결이 보호회로기판을 통해 달성될 수 있으며, 이러한 구조에 기반하여 본 발명은 전체적으로 콤팩트한 구조를 가지며 간소한 조립 공정이 가능한 전지팩을 제공한다.
여기서, 팩 프레임은 전극단자들이 상호 대면하는 부위에 보호회로기판의 장착을 위한 기판 장착부가 형성된 구조일 수 있다. 이러한 구조에서는 보호회로기판을 수용하는 모듈 케이스 등의 부재가 생략될 수 있으므로, 보다 콤팩트한 전지팩의 구현을 가능하게 한다.
이와 같은 전지팩에서 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 전극조립체가 전해액과 함께 내장된 구조로 전지케이스가 밀봉 처리된 구조일 수 있다.
여기서 상기 라미네이트 시트란, 금속 차단층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 수지 실란트층이 부가되어 있는 구조일 수 있다.
상기 수지 외곽층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 수지 외곽층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 사용될 수 있다.
상기 금속 차단층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 수지 실란트층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 금속 차단층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 바람직하게는 상기 금속층과 수지 실란트층 사이에 접착층을 추가로 포함하여 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 접착층의 소재로는, 예를 들어, 우레탄(urethane)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 열가소성 일래스토머(elastomer)를 함유하는 조성물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 전극조립체는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 단위체 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 하나 이상의 양극 판과 하나 이상의 음극 판이 분리막을 사이에 두고, 지면을 기준으로 상향 적층되어 있는 적층형 구조;
하나 이상의 양극 판과 하나 이상의 음극 판이 분리막을 사이에 두고 지면을 기준으로 상향 적층되어 있는 구조의 복수의 단위셀들이, 분리필름 상에 배열된 상태로, 분리필름의 일측 단부로부터 타측 단부로 권취되면서 분리필름을 사이에 두고 단위셀들이 적층된 복합형 구조; 또는
하나 이상의 양극 시트와 음극 시트가 분리막을 사이에 두고, 권취되어 있는 권취형 구조;일 수 있다.
본 발명에서 상기 전지셀의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 앞선 전극조립체의 구성들인 양극, 음극, 분리막과 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있는 전지를 칭한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
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 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 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 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 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.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 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, 비수 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 방법은 구체적으로, 전지셀 배열체를 팩 프레임에 장착하는 과정;
상기 전지셀 배열체 사이 보호회로기판을 위치시키는 과정;
전극 단자들에 형성된 체결용 관통구들에 보호회로기판의 돌출 체결부들을 삽입하는 과정;
삽입된 돌출 체결부에서, 체결용 관통구를 통해 외측으로 돌출된 부위를 가압 지그로 가압시켜 돌출 체결부가 전극 단자의 상면에 밀착되도록 확장 변형시키는 과정; 및
상기 팩 프레임에 커버를 결합하는 과정;을 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 방법은, 돌출 체결부가 체결용 관통구와 계합되면서 전극 단자들에 대한 보호회로기판의 고정과 전기적 연결이 달성되는 바, 전지셀과 보호회로기판 간 조립 공정이 간편한 장점을 제공하며, 이러한 구성에 기반하여, 용접이나 솔더링의 과정에서 유발되는 문제점들, 즉, 솔더링 과정에서 비산되는 페이스트나 용접 과정에서 발생되는 스파크 등에 의해 회로 또는 전지셀의 구조가 손상되는 문제점이 발생하지 않는다.
본 발명은 또한, 상기 방법에 이용되는 가압 지그를 제공하며, 상기 가압 지그는, 돌출 체결부를 통해 플레이트 부의 개구와 접속단의 개구를 연속적으로 통과하도록 구성되어 있는 버링부(burring portion); 및
상기 버링부로부터 연장되어 있고, 버링부가 상기 개구를 통과할 때, 돌출 체결부의 단부를 가압하도록 구성되어 있는 가압부;
를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 버링부는 개구쪽 방향으로 수직 단면적이 감소하는 테이퍼 구조로 이루어져 있으며,
상기 돌출 체결부는 버링부가 개구를 통과할 때, 상기 버링부의 테이퍼 구조에 대응하여 확장 및 연신되면서 변형되고,
상기 가압부는 변형된 돌출 체결부를 전극 단자의 상면 방향으로 가압하여, 이를 전극 단자의 상면에 밀착시킬 수 있다.
상기 버링부의 최대 수직 단면적은, 돌출 체결부의 확장과 연신이 가능하도록, 적어도 돌출 체결부와 연통되는 개구의 수직 단면적 보다 큰 것이 바람직하며, 상세하게는 상기 개구의 면적 대비 110% 내지 130%일 수 있다.
이러한 구조에 있어서, 상기 범위 미만에서는 돌출 체결부의 연신과 확장이 소망하는 형태로 수행되지 않을 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 버링부가 개구를 통과할 때, 전극 단자의 변형 뿐만 아니라, 체결용 관통구를 확장시켜, 소망하는 형태의 고정 구조를 달성할 수 없으므로 바람직하지 않다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하며, 상기 디바이스는 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태플릿 PC 또는 스마트 패드와 같은 모바일 디바이스 또는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차 등의 대형 디바이스일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 돌출 체결부가 체결용 관통구와 계합되면서 전극 단자들에 대한 보호회로기판의 고정과 전기적 연결이 달성되는 바, 전지셀과 보호회로기판 간 조립 공정이 간편한 구조로 이루어져 있고, 용접이나 솔더링의 과정에서 유발되는 문제점들이 개선된 구조를 가진다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식도이다;
도 2는 보호회로기판의 모식도이다;
도 3은 전지팩의 분해 사시도이다;
도 4는 접속 플레이트와 전극 단자의 결합 구조를 나타낸 모식도이다;
도 5는 접속 플레이트와 전극 단자가 결합된 부위의 수직 단면도이다;
도 6은 도 1의 전지팩을 구성하는 전지셀의 모식도이다;
도 7은 본 발명에 따른 가압 지그 및 가압 지그를 통한 접속 플레이트와 전극 단자의 결합 구조의 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 1에는 본 발명에 따른 전지팩의 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 보호회로기판의 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 전지팩의 분해 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩(100)은 한 쌍의 전지셀들(110a, 110b)의 전극 단자들이 상호 대면하도록 평면 배열된 구조의 전지셀 배열체(110), 상면이 개방된 상태로 전지셀들(110a, 110b)의 외주면을 감싸도록 한 쌍의 수납부들을 포함하는 팩 프레임(120), 팩 프레임(120)의 개방된 상면을 감싸도록 팩 프레임(120)에 장착되는 커버 부재(도시하지 않음) 및 서로 대면하는 전지셀들(110a, 110b) 사이에서 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b) 각각과 전기적으로 연결되는 보호회로기판(130)을 포함한다.
다만, 이러한 구조는 본 발명에 따른 하나의 실시예에 관한 것으로, 단일 전지셀이 하나의 수납부가 형성된 팩 프레임에 장착된 구조 또한 본 발명의 범주에 포함됨은 물론이다.
보호회로기판(130)은, 인쇄회로들(202), 외부 입출력 케이블(204), 전지셀들(110a, 110b)의 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b)에 전기적으로 접속되도록 전기전도성 소재로 구성된 접속 플레이트들(210), 및 접속 플레이트(210)가 장착되는 전기전도성의 접속단들(206a, 206b)을 포함한다.
접속 플레이트들(210) 각각은, 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b)의 하면에 밀착되는 플레이트 부(212), 체결용 관통구(116)에 대응되는 위치의 플레이트 부(212) 상에 천공되어 있는 개구(216) 및 개구(216)와 연통되는 구조로 플레이트 부(212)로부터 상향으로 연장된 구조의 돌출 체결부(214)를 포함한다.
전지셀들(110a, 110b)은 한 쌍의 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b)을 포함하며, 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b)에는 접속 플레이트(210)의 돌출 체결부(214)와 체결되기 위한 체결용 관통구(116)가 천공되어 있다. 여기서 체결용 관통구(116)의 형상은 평면상으로 대략 원형의 구조로 이루어져 있고, 돌출 체결부(214)는 이에 대응하도록 대략 원형의 구조로 이루어져 있다.
이러한 구조는 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b)의 체결용 관통구(116)와 돌출 체결부(214)가 상하 나란히 위치하도록 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b)이 보호회로기판(130)의 접속 플레이트들(210) 상에 위치한 상태에서 돌출 체결부(214)가 체결용 관통구(116)에 삽입됨으로써, 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b)과 보호회로기판(130)의 전기적 연결이 달성된다.
또한, 돌출 체결부(214)는 체결용 관통구(116)에 대한 억지끼움이 가능하도록 평면상으로 체결용 관통구(116)의 면적 보다 상대적으로 큰 구조로 이루어져 있다. 따라서, 상기 전기적 연결 뿐만 아니라, 돌출 체결부(214)가 체결용 관통구(116)에 삽입된 상태는 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b)이 보호회로기판(130)에 대해 기계적으로 고정된 상태로 이해될 수 있다.
돌출 체결부(214)는 또한, 플레이트 부(212)의 개구(216)와 연통되어 있는 바, 도 7에서와 같이, 가압 지그(300)가 돌출 체결부(214)와 개구(216)를 연속적으로 통과하면서 돌출 체결부(214)를 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b) 표면으로 확장 절곡 시킬 수 있으며, 그에 따라 전극 단자들(112a, 114a, 112b, 114b)은 플레이트 부(212)와 확장 변형된 상태의 돌출 체결부(214) 사이에서 이들에 밀착된 상태로 접속 플레이트들(210)에 기계적으로 체결된다.
이와 관련하여, 접속 플레이트(210)와 하나의 전극 단자(112a)의 결합에 관한 일련의 과정이 도시된 도 4를 참조하여 이를 더욱 구체적으로 설명한다.
도 4를 참조하면, 먼저 접속 플레이트(210)는 전극 단자(112a)의 하면이 플레이트 부(212)에 밀착되도록 돌출 체결부(214)가 체결용 관통구(116)에 삽입된다.
이때, 돌출 체결부(214)는, 체결용 관통구(116)에 삽입된 상태에서, 전극 단자(112a)의 상면(U)으로부터 더 돌출될 수 있도록, 전극 단자(112a)의 두께(L1) 대비 상대적으로 긴 돌출 길이(L2)로 플레이트 부(212)로부터 연장되어 있다.
따라서, 전극 단자(112a)의 하면이 플레이트 부(212)에 밀착되도록 돌출 체결부(214)가 체결용 관통구(116)에 삽입된 상태에서는, 돌출 체결부(214)의 상부 부위가 전극 단자(112a)의 상면(U)으로부터 상향으로 돌출된 구조를 형성한다.
여기서, 돌출 체결부(214)의 개구(216)에 가압력이 인가되면, 도 4의 (b)에서와 같이, 가압력에 의해 돌출 체결부(214)의 상부 부위가 체결용 관통구(116)와의 경계면 (A)이상으로 연신 및 확장되면서 전극 단자(112a)의 상면(U) 쪽으로 절곡 된다. 이 상태에서는, 돌출 체결부(214)가 확장됨에 따라 체결용 관통구(116)의 내면과 이에 밀착되는 돌출 체결부(214)의 외면이 강하게 가압 및 밀착되면서 서로에 대해 공고히 고정된다.
이때, 돌출 체결부(214)가 전극 단자 상면(U) 방향으로 더 가압되는 경우, 도 4의 (c)와 도 5에서와 같이, 돌출 체결부(214)는 전극 단자(112a)의 상면(U)에서 체결용 관통구(116)의 주변부에 완전히 밀착되고, 체결용 관통구(116)의 외주를 따라 연신되면서 체결용 관통구(116)의 형상으로 확장된 상태로 전극 단자(112a)를 고정시킨다.
이처럼, 본 발명에 따른 전지팩(100)은, 전지셀과 보호회로기판(130)이, 각각에 형성된 돌출 체결부(214)와 체결용 관통구(116)를 통해 기계적으로 체결되는 동시에 전기적으로 접속되는 구조로 이루어진 바, 전지셀과 보호회로기판(130) 간 조립 공정이 간편한 구조로 이루어져 있고, 용접이나 솔더링의 과정에서 유발되는 문제점들이 개선될 수 있다.
도 4에 도시된 전극 단자와 접속 플레이트간 결합 구조는, 도 1 내지 도 3에 도시된 또 다른 전극 단자들(114a, 112b, 114b)에서도 동일한 구조로 접속 플레이트와의 결합 구조를 형성할 수 있음은 물론이다.
한편, 도 6에는 본 발명에 따른 전지셀의 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전지셀(110b)은 전극조립체(도시하지 않음)가 전해액과 함께 전지케이스(150)에 내장된 상태로 전지케이스(150)의 외주변이 밀봉된 구조의 파우치형 전지셀(110b)로 이루어져 있으며, 전지케이스(150)의 밀봉된 일변(152)에서 나란히 위치되어 있는 제 1 전극 단자(112b)와 제 2 전극 단자(114b)를 포함한다.
제 1 전극 단자(112b)는 전극조립체의 전극 탭들과 직접적으로 연결된 상태로 전지케이스(150)의 밀봉된 일변(152)을 통해 외향으로 돌출되어 있다.
반면에 제 2 전극 단자(114b)는 전지케이스(150)의 밀봉된 일변(152) 상에 장착된 상태에서 TCO(thermal cut off; 118)를 경유하여 전극조립체의 전극 탭들에 간접적으로 연결되어 있다.
이러한 TCO(118)는 과전류의 통전에 따른 온도 상승 시, 전류를 능동적으로 차단하는 소자로서, 본 발명에 따른 전지팩(100)은, 과전압 및 과전류 등의 이상 상황에서 TCO(118)가 전극조립체와 제 2 전극 단자(114b) 사이에서의 통전 기능을 차단시켜 전지셀(110b)이 발화되거나 폭발되는 것을 일차적으로 방지하도록 구성되어 있다. 뿐만 아니라, 전지팩(100)은 도 1 내지 도 5에서 설명한 보호회로기판(130)을 통해 추가로 통전 기능을 제어할 수 있는 바, TCO(118)와 보호회로기판(130)을 통한 다중 안전 시스템인 점에서 안전성에 대한 높은 신뢰성을 담보할 수 있다.
TCO(118)는 전극 조립체의 전극 탭들에 연결된 상태로 전지케이스(150)의 밀봉된 일변(152)을 통해 돌출된 구조의 리드 부재(119a) 및 리드 부재(119a)에 전기적 및 물리적으로 결합되어 있는 금속편(119b)과 결합되어 있고, 이 상태에서 제 2 전극 단자(114b)에 연결되어 있다.
따라서, 제 2 전극 단자(114b)는 TCO(118)와 금속편(119b) 및 리드 부재(119a)를 통해 전극조립체와 전기적으로 연결되며, TCO(118)와 금속편(119b) 및 리드 부재(119a) 중 어느 하나의 소재에서 통전 기능이 상실되면, 제 2 전극 단자(114b)를 통한 전지셀(110b)의 전기적 연결을 단전된다.
이를 위하여, 금속편(119b) 및/또는 리드 부재(119a)는 전기전도성의 소재로 이루어질 수 있으며, 경우에 따라서 이들은 전지셀(110b)의 발화나 폭발 등을 유발할 수 있는 고온 환경에서 용융될 수 있는 우드 메탈 합금으로 이루어질 수도 있다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 가압 지그(300)의 구조가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 가압 지그(300)는, 돌출 체결부(214)를 통해 플레이트 부(212)의 개구(216)와 접속단의 개구(216)를 연속적으로 통과하도록 구성되어 있는 버링부(burring portion; 310) 및 버링부로부터 연장되어 있고, 버링부(310)가 돌출 체결부(214)와 플레이트 부(212)의 개구(216)를 통과할 때, 돌출 체결부(214)의 상 단부를 가압하도록 구성되어 있는 가압부(320)를 포함한다.
여기서, 버링부(310)는 개구(216)쪽 방향으로 수직 단면적이 감소하는 테이퍼 구조로 이루어져 있으며, 그에 따라 버링부(310)가 개구(216)를 통과할 때, 돌출 체결부(214)는 버링부의 테이퍼 구조에 대응하여 확장 및 연신되면서 변형될 수 있다.
이때, 가압부(320)는 변형된 돌출 체결부(214)를 전극 단자의 상면 방향으로 가압하여, 이를 전극 단자(112a)의 상면에 밀착시키는 구조로 이루어져 있다.
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)

  1. 하나 이상의 전지셀이 보호회로기판(protection circuit board)에 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서,
    상기 전지셀은 적어도 하나 이상의 체결용 관통구가 천공되어 있는 한 쌍의 전극 단자들을 포함하고,
    상기 보호회로기판는 전극 단자들에 전기적으로 접속되는 전기 전도성의 접속 플레이트들을 포함하며;
    상기 접속 플레이트들 각각은,
    전극 단자의 하면에 밀착되는 플레이트 부; 및
    상기 체결용 관통구에 대응되는 위치의 플레이트 부 상에 천공되어 있는 개구;
    를 포함하고 있고,
    상기 접속 플레이트들 중의 적어도 하나에는 체결용 관통구에 삽입될 수 있는 하나 이상의 돌출 체결부가 형성되어 있고;
    상기 돌출 체결부는, 상기 개구와 연통되는 구조로 상기 전극단자의 두께 대비 150% 내지 2000%의 길이로 상기 접속 플레이트로부터 돌출되고, 상기 체결용 관통구에 억지 끼움 가능하도록 평면상으로 상기 체결용 관통구의 면적 대비 100% 내지 120%의 면적을 가지며,
    상기 보호회로기판에 대한 전극 단자들의 고정 및 전기적 연결을 위해, 상기 돌출 체결부는, 체결용 관통구에 삽입된 상태에서, 상기 전극단자의 상면 이상으로 돌출되고, 상기 돌출 체결부의 상부로부터 가해지는 압력에 의해 상기 전극단자의 상면 이상으로 돌출된 돌출 체결부의 상부 부위가 연신 및 확장되면서, 전극 단자의 상면에 밀착되도록 확장 절곡되어, 상기 전극단자에 접속 플레이트가 고정됨과 동시에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트 부와 돌출 체결부는 각각, 전극 단자의 두께 대비 110% 내지 1000%의 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장된 상태로 전지케이스의 외주변이 밀봉된 구조이고,
    한 쌍의 전극 단자들인 제 1 전극 단자와 제 2 전극 단자가 전지케이스의 밀봉된 일변에서 나란히 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 전극 단자는 전극조립체의 전극 탭들과 직접적으로 연결된 상태로 전지케이스의 밀봉된 일변을 통해 외향으로 돌출되어 있고,
    상기 제 2 전극 단자는 상기 전지케이스의 외측에서 TCO(thermal cut off) 및/또는 PTC 소자를 경유하여 전극조립체의 전극 탭들에 간접적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전극조립체는 전극 탭들에 연결된 리드 부재를 포함하며, 상기 리드 부재가 전지케이스의 밀봉된 일변을 통해 외부로 노출되어 있으며,
    상기 TCO(thermal cut off) 및/또는 PTC 소자는 리드 부재에 전기적으로 연결된 상태로 제 2 전극 단자와 결합된 구조로, 전극조립체와 상기 제 2 전극 단자를 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 전극 단자는 상기 밀봉된 일변 상에 장착된 상태로 일변의 단부로부터 외향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 리드 부재는 전지케이스의 밀봉된 일변을 통해 돌출된 상태에서 돌출 방향에 대한 반대 방향으로 둔각 또는 우각으로 절곡되어 상기 밀봉된 일변과 대면하고 있으며,
    상기 일변과 대면하는 리드 부재에는 전기전도성의 금속편이 용접 또는 솔더링에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 금속편에는 TCO 및/또는 PTC 소자가 결합되어 있으며, 상기 TCO 및/또는 PTC 소자는 금속편과 결합된 상태로 제 2 전극 단자에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 보호회로기판은,
    인쇄회로들(printed circuits);
    상기 인쇄회로에 전기적으로 연결되어 있고, 외부 디바이스에 전기적으로 연결되는 외부 입출력 케이블; 및
    상기 인쇄회로에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 접속 플레이트를 경유하여 전지셀과 전기적으로 연결되도록, 접속 플레이트가 장착되어 있는 복수의 접속단들;
    을 추가로 포함하고;
    상기 접속단들에는 돌출 체결부와 대응되는 위치에 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은,
    한 쌍의 전지셀들의 전극 단자들이 상호 대면하도록 평면 배열된 구조의 하나 이상의 전지셀 배열체;
    상면 또는 하면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 감싸는 둘 이상의 전지셀 수납부들을 포함하고 있는 팩 프레임(pack frame); 및
    상기 개방된 상면 또는 하면을 감싸도록, 팩 프레임에 장착되는 커버 부재;
    를 추가로 포함하고,
    상기 보호회로기판은 서로 대면하는 전지셀들 사이에서 전극 단자들에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항, 제 7 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 제조하는 방법으로서,
    전지셀 배열체를 팩 프레임에 장착하는 과정;
    상기 전지셀 배열체 사이 보호회로기판을 위치시키는 과정;
    전극 단자들에 형성된 체결용 관통구들에 보호회로기판의 돌출 체결부들을 삽입하는 과정;
    삽입된 돌출 체결부에서, 체결용 관통구를 통해 외측으로 돌출된 부위를 가압 지그로 가압시켜 돌출 체결부가 전극 단자의 상면에 밀착되도록 확장 변형시키는 과정; 및
    상기 팩 프레임에 커버를 결합하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 따른 방법에 이용되는 가압 지그로서,
    상기 가압 지그는, 돌출 체결부를 통해 플레이트 부의 개구와 접속단의 개구를 연속적으로 통과하도록 구성되어 있는 버링부(burring portion); 및
    상기 버링부로부터 연장되어 있고, 버링부가 상기 개구를 통과할 때, 돌출 체결부의 단부를 가압하도록 구성되어 있는 가압부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 지그.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 버링부는 개구쪽 방향으로 수직 단면적이 감소하는 테이퍼 구조로 이루어져 있으며,
    상기 돌출 체결부는 버링부가 개구를 통과할 때, 상기 버링부의 테이퍼 구조에 대응하여 확장 및 연신되면서 변형되고,
    상기 가압부는 변형된 돌출 체결부를 가압하여, 이를 전극 단자의 상면에 밀착시키는 것을 특징으로 하는 가압 지그.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 버링부의 최대 수직 단면적은 개구의 면적 대비 110% 내지 130%인 것을 특징으로 하는 가압 지그.
  20. 제 1 항, 제 7 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 하나 이상 포함하는 디바이스.
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