JP6131501B2 - 段差構造を含む電池セル - Google Patents
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Description
本発明は、段差構造を含む電池セルに係り、より詳細には、正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体が電池ケースに内蔵されている電池セルであって、上部ケース及び下部ケースからなっており、電極組立体の収納のために、前記上部ケースには第１収納部が形成されており、下部ケースには第２収納部が形成されており、前記第１収納部及び第２収納部は大きさが互いに異なる構造で形成されている電池ケースと、前記第１収納部及び第２収納部の内面形状に対応する外面形状からなる電極組立体とを含むことを特徴とする電池セルに関する。
モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加に伴い、二次電池の需要もまた急増しており、その中でも、エネルギー密度と作動電圧が高く、保管と寿命特性に優れたリチウム二次電池は、各種モバイル機器はもとより、様々な電子製品のエネルギー源として広く使用されている。
リチウム二次電池は、その外形によって円筒形電池、角形電池、パウチ型電池などに大別され、電解液の形態によってリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムポリマー電池などに分類されることもある。
モバイル機器の小型化といった最近の傾向により、厚さの薄い角型電池、パウチ型電池に対する需要が増加しており、特に、形状の変形が容易であり、製造コストが低く、重量が少ないパウチ型電池への関心が高い実情である。
一般に、パウチ型電池は、樹脂層と金属層を含んで構成されたラミネートシートのパウチ型ケースの内部に、電極組立体と電解質が密封されている電池のことをいう。電池ケースに収納される電極組立体は、ジェリーロール型（巻取り型）、スタック型（積層型）、または複合型（スタック／フォールディング）の構造からなってもよい。
図１には、スタック型電極組立体を含んでいるパウチ型二次電池の構造が模式的に示されている。
図１を参照すると、パウチ型二次電池１０は、パウチ型電池ケース２０の内部に、正極、負極及びこれらの間に配置された分離膜からなる電極組立体３０が、その正極及び負極タブ３１，３２と電気的に接続される２つの電極リード４０，４１が外部に露出するように密封されている構造からなることができる。
電池ケース２０は、電極組立体３０を装着できる凹状の収納部２３を含むケース本体２１と、そのような本体２１に一体に連結されているカバー２２とからなっている。
図示していないが、電池ケースは、電極組立体を装着できる凹状の収納部を含む下部ケースと、そのような下部ケースの蓋であって、電極組立体を密封する上部ケースとからなっていてもよい。
電池ケース２０は、ラミネートシートからなっており、最外郭をなす外側樹脂層２０Ａと、物質の貫通を防止する遮断性金属層２０Ｂと、密封のための内側樹脂層２０Ｃとで構成されることができる。
スタック型電極組立体３０は、多数の正極タブ３１及び多数の負極タブ３２がそれぞれ融着されて電極リード４０，４１に共に結合されてもよい。また、ケース本体２１の上端部２４とカバー２２の上端部とが熱融着機（図示せず）によって熱融着されるとき、そのような熱融着機と電極リード４０，４１との間にショートが発生することを防止し、電極リード４０，４１と電池ケース２０との密封性を確保するために、電極リード４０，４１の上下面に絶縁フィルム５０を付着することができる。
しかし、最近は、スリムなタイプまたは様々なデザイントレンドにより、新しい形態の電池セルが要求されている実情である。
また、上記のような電池セルは、同じ大きさ又は容量の電極組立体を含むものとして構成されているので、電池セルが適用されるデバイスのデザインを考慮して新規な構造に作るためには、電池セルの容量を減少させるか、またはさらに大きい大きさにデバイスのデザインを変更しなければならないという問題が生じ得る。
また、このようなデザイン変更過程において電気的接続方式が複雑になり、それにより、所望の条件を満たす電池セルの作製が難しくなるという問題もあり得る。
したがって、電池セルが適用されるデバイスの形状に応じて適用可能な電極組立体、電池ケース及びそれを含む電池セルに対する必要性が高い実情である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
具体的に、本発明の目的は、電池セルをデバイスの様々な空間に装着可能な構造に設計して、デバイスの内部空間の活用度を極大化し、一般的に長方形の構造を有するデバイスの外形構造を超えて、様々な外形を有するデバイスにも効率的に装着できる電池セルを提供することである。
このような目的を達成するための本発明に係る電池セルは、正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体が電池ケースに内蔵されている電池セルであって、上部ケース及び下部ケースからなっており、電極組立体の収納のために、前記上部ケースには第１収納部が形成されており、下部ケースには第２収納部が形成されており、前記第１収納部及び第２収納部は大きさが互いに異なる構造で形成されている電池ケースと、前記第１収納部及び第２収納部の内面形状に対応する外面形状からなる電極組立体と、を含む構造からなることができる。
すなわち、本発明に係る電池セルは、前記電池ケースの第１収納部及び第２収納部の大きさが互いに異なるので、上部ケースと下部ケースの結合時に互いに異なる収納部の大きさによる段差が形成され得る。このような段差が形成された電池セルは、一般に、直方体形または円筒形に製造される電池セルと比較して様々な形態の電池セルの製造が可能である。
したがって、本発明に係る電池セルは、上記のような特定の構造に基づいて、様々な容量及び大きさを有する電池セルとして作製することができ、このような電池セルを装着するデバイスの製造において、電池セルがデバイスの様々な空間に装着可能であるので、デバイスの内部空間の活用度を極大化することができる。
また、前記電極組立体が、前記電池ケースの第１収納部及び第２収納部に対応する形状からなっているので、電池の容量を増大すると同時に、コンパクトな構造で余剰空間の活用度を向上することができる。
前記電池ケースは、缶型電池ケースまたはパウチ型電池ケースであってもよく、前記缶型電池ケースは、金属素材またはプラスチック素材からなることができ、前記パウチ型電池ケースは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなることができる。
前記ラミネートシートは、金属遮断層の両面に樹脂層が塗布されている構造であってもよく、例えば、金属遮断層の一面（外面）に耐久性に優れた樹脂外郭層が付加され、他面（内面）に熱溶融性の樹脂シーラント層が付加されている構造であってもよい。
一具体例において、前記金属遮断層の素材としては、ガスなどに対する遮断特性及び薄膜形態の加工を可能にする軟性を有するアルミニウムを使用することができる。
前記樹脂外郭層は、外部環境から優れた耐性を有しなければならないので、その素材としては、所定値以上の引張強度及び耐候性を有する高分子樹脂として、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）と延伸ナイロンフィルムなどを使用することができる。
また、前記樹脂シーラント層の素材としては、熱融着性（熱接着性）を有し、電解液の浸透を抑制するために吸湿性が低く、電解液によって膨張しないまたは侵食されない無延伸ポリプロピレンフィルム（ＣＰＰ）系樹脂などを使用することができる。
一般に、缶型電池ケースの場合には、前記開放された空間が蓋で覆われた状態で溶接する方式で密封することができ、パウチ型電池ケースの場合には、収納部の外周面を熱融着する方式で密封することができる。
前記電池ケースもまた様々な形態を有することができ、一例において、上部ケース及び下部ケースが一単位の部材として形成されており、折り曲げられた状態で、収納部の外周面が密封のために熱融着される構造からなることができる。具体的に、前記上部ケース及び下部ケースは、折り畳み式で形成されている構造であって、折れる側を除外した他の側の外周面はシーリング部が形成されることで、熱融着により上部ケース及び下部ケースがシーリングされて電池ケースが密封される構造からなることができる。
他の例において、前記上部ケース及び下部ケースは、互いに独立した２つの単位の部材からなっており、前記上部ケース及び下部ケースの外周面が密封のために熱融着される構造からなることができる。
一具体例において、前記第１収納部及び第２収納部は、平面の大きさが互いに異なる構造からなることができる。したがって、前記上部ケース及び下部ケースがシーリングされたとき、収納部の大きさが互いに異なる構造によって段差が形成され得る。
上記したように、前記第１収納部及び第２収納部は、互いに大きさが異なる構造で形成されてもよく、このような構造は特に限定されない。例えば、前記第１収納部及び第２収納部は、厚さ、横幅（横の長さ）及び縦幅（縦の長さ）のうちの少なくとも１つが異なる構造からなってもよい。
例えば、前記第１収納部は、第２収納部よりも小さい大きさに形成することができる。このような構造の例として、前記第１収納部の深さが第２収納部の深さよりも浅い構造で形成するか、または前記第１収納部の平面視の広さが第２収納部の平面視の広さよりも狭い構造で形成してもよい。
このような構造に関する第一の例において、前記第１収納部と第２収納部を比較するとき、平面視の広さが同じ条件において、第１収納部の深さは、第２収納部の深さの２０％〜９５％の範囲内のもの、好ましくは、３０〜９０％の範囲内のものであってもよい。
第二の例において、前記第１収納部と第２収納部を比較するとき、それぞれの収納部の深さが同じ条件において、第１収納部の平面視の広さは、第２収納部の平面視の広さの２０％〜９５％の範囲、好ましくは、３０〜９０％の範囲内のものであってもよい。
第三の例において、前記第１収納部と第２収納部を比較するとき、第１収納部の深さは、第２収納部の深さの２０％〜９５％の範囲、好ましくは、３０〜９０％の範囲内のものであってもよく、第１収納部の平面視の広さは、第２収納部の平面視の広さの２０％〜９５％の範囲、好ましくは３０〜９０％の範囲内のものであってもよい。
前記第１収納部及び第２収納部は、平面視で多角形、円、楕円、または円弧を含む図形などに限定されずに様々な形状からなることができる。また、第１収納部及び第２収納部は、平面視で互いに異なる形状の図形からなってもよい。これらのうち、一例として、前記第１収納部及び第２収納部は、平面視で互いに大きさが異なる長方形状に形成されてもよい。
前記上部ケース及び下部ケースがシーリングされたとき、前記第１収納部及び第２収納部は少なくとも一側面が上下に隣接する構造で形成されてもよい。
このような構造の第一の例において、前記上部ケース及び下部ケースがシーリングされたとき、前記第１収納部及び第２収納部は一側面が上下に隣接する構造で形成されてもよい。
このとき、前記隣接する構造で形成されている第１収納部の一側面及び第２収納部の一側面は、電極端子が位置する方向の一側面であってもよい。
第二の例において、前記第１収納部及び第２収納部は、電極端子が位置した方向の一側面、及び対向側面が上下に隣接する構造で形成されてもよい。
第三の例において、前記第１収納部及び第２収納部は、電極端子が位置した方向の一側面、及び前記一側面を基準として平面視で垂直方向の一側面又は両側面と上下に隣接する構造で形成されてもよい。
第四の例において、前記第１収納部及び第２収納部は、電極端子が位置した方向の対向側面、及び前記対向側面を基準として平面視で垂直方向の一側面又は両側面と上下に隣接する構造で形成されてもよい。
また、前記第１収納部の少なくとも一側面が第２収納部の一側面と上下に隣接する構造とは異なり、第１収納部の側面が第２収納部の側面と上下に隣接していない状態で、第１収納部が平面視で第２収納部の内側に位置するように形成されてもよい。
前記第１収納部及び第２収納部は、特に限定されずに様々な形状に形成することができ、例えば、前記第１収納部及び第２収納部のうちの少なくとも１つは、平面視で円、楕円、多角形、または一部が円弧状である構造の形態で形成することができる。
一具体例において、前記電極組立体は、第１収納部の内面形状に対応する外面形状を有する第１ユニットセルと、第２収納部の内面形状に対応する外面形状を有する第２ユニットセルとの組み合わせからなることができる。
すなわち、前記電極組立体は、電池セルの体積対比容量の効率を高めることができるように、電池ケースの収納部に対応する形状に形成することができる。具体的に、前記電池ケースの第１収納部の内面形状に対応する外面形状を有する第１ユニットセルが前記第１収納部の内面に位置することができ、第２収納部の内面形状に対応する外面形状を有する第２ユニットセルが前記第２収納部の内面に位置することができる。したがって、前記電極組立体は、前記第１ユニットセル及び第２ユニットセルを含む構造で構成され、ユニットセルが収納部に対応する形状に製造されるので、収納部内にユニットセルが安定的に装着されるだけでなく、体積対比容量を向上させることができる。
前記ユニットセルは、特に限定されずに様々な形状からなることができ、一例として、前記ユニットセルは、それぞれ直方体状に形成することができる。
このとき、前記電池セルの電極端子、すなわち、電池セルの正極端子及び負極端子が同じ方向に配列されるように前記ユニットセルが積層配列された構造で形成することができる。このような構造は、例えば、正極タブ及び負極タブが同じ方向に突出しているユニットセルを、前記正極タブ及び負極タブが同じ方向に位置するように積層することによって形成することができる。
また、前記ユニットセルの電極タブは、１つの電極リードに結合されて電池セルの電極端子を形成する構造をなすことができる。具体例として、前記ユニットセルの正極タブは１つの正極リードに結合されてもよく、負極タブは１つの負極リードに連結されてもよい。このとき、前記正極リード及び負極リードにそれぞれ正極タブ及び負極タブを結合する構造を形成するために、正極タブ及び負極タブが同じ位置で積層されるように前記ユニットセルが積層配列された構造で形成することができる。
前記電池セルは、リチウムイオン電池またはリチウムイオンポリマー電池セルであってもよいが、これらに限定されないことは勿論である。
本発明はまた、前記電池セルを電源として含んでいるデバイスを提供し、前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、タブレットＰＣ、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、及び電力貯蔵装置などから選択されたものであってもよい。
これらデバイスの構造及びその作製方法は当業界で公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明は省略する。
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図２には、本発明の一実施例に係る電池セルの斜視図が示されており、図３には、図２の垂直断面図が模式的に示されている。
図２及び図３を参照すると、電池セル１００は、電極組立体１２０がラミネートシートのパウチ型電池ケース１１０に内蔵されている構造であって、電極組立体１２０と電気的に接続された電極リード１３０が電池ケース１１０の外部に突出している構造からなっている。電池ケース１１０は上部ケース１１２及び下部ケース１１４で構成され、上部ケース１１２及び下部ケース１１４には、それぞれ電極組立体１２０の装着のための第１収納部１１３及び第２収納部１１５が形成されている。
電池ケース１１０の第１収納部１１３及び第２収納部１１５は、平面視で大きさが互いに異なる長方形状に形成されており、電極組立体１２０は、第１収納部１１３及び第２収納部１１５の内面形状に対応する外面形状からなっている。
電極組立体１２０は、大きさの異なる２つのユニットセル１２２，１２４が平面を基準として高さ方向に積層されており、電池ケース１１０の第１収納部１１３及び第２収納部１１５にはそれぞれユニットセル１２２，１２４が装着されている。このような構造によって、図３に示すように、電池セルは垂直断面において段差が形成され、したがって、段差が形成された部位の外側に余裕空間Ｓ１が生成される。余裕空間Ｓ１は、適用されるデバイスの不規則な内部空間、または他の部品による干渉などの条件に対応するためのもので、収納部１１３，１１５及びユニットセル１２２，１２４は、適用状況に合わせて様々な形状に柔軟に設計変更することができる。
このような構造の電池セル１００は、様々な容量及び大きさを有する電池セルとして作製することができ、従来において電池セルの装着が困難であった空間まで容易に装着可能であるだけでなく、デバイスの内部構造に応じて、限定された空間においてより大きい容量を有する電池セルを装着できるので、デバイスの内部空間の活用度を極大化させることができる。
図４には、図２の電池ケースに対する斜視図が模式的に示されている。
図４を図３と共に参照すると、電池ケース１１０は、上部ケース１１２及び下部ケース１１４が一単位の部材として形成されており、折り曲げた状態で、収納部の外周面が密封のために熱融着される構造からなっている。上部ケース１１２及び下部ケース１１４には、それぞれ第１収納部１１３及び第２収納部１１５が形成されている。第１収納部１１３及び第２収納部１１５は、平面視で大きさが互いに異なる長方形構造からなっているので、上部ケース１１２及び下部ケース１１４がシーリングされたとき、収納部１１３，１１５の大きさが互いに異なる構造によって段差が形成される。
一方、図示していないが、第１収納部及び第２収納部が形成された上部ケース及び下部ケースが、互いに独立した２つの単位の部材として形成され、上部ケース及び下部ケースの外周面が密封のために熱融着される構造からなることができる。
図５乃至図８には、本発明の他の実施例に係る電池セルの斜視図が示されている。
まず、図５では、上部ケース２１２及び下部ケース２１４にそれぞれ形成された第１収納部２１３及び第２収納部２１５が、電極端子２３０が位置した方向の一側面、及び対向側面が上下に隣接する構造が示されており、図６及び図７には、それぞれ、上部ケース３１２，３１２’及び下部ケース３１４にそれぞれ形成された第１収納部３１３，３１３’及び第２収納部３１５が、電極端子３３０が位置した方向の一側面、及び電極端子３３０が位置した方向の一側面を基準として平面視で垂直方向の一側面又は両側面と上下に隣接した構造が示されている。
また、図８には、図５乃至図７でのように、第１収納部の少なくとも一側面が第２収納部の一側面と上下に隣接する構造とは異なり、第１収納部４１３の側面が第２収納部４１５の側面と上下に隣接していない状態で、第１収納部４１３が平面視で第２収納部４１５の内側に位置するように形成されている。
すなわち、第１収納部及び第２収納部は、特に限定されずに様々な位置に形成することができ、また、これら図面に示された直方体状だけでなく、必要に応じて、円、楕円、多角形、または一部が円弧状である構造の形態で形成することができる。
図９には、図２の電池ケースのシーリング部を折り曲げた構造の斜視図であって、図９を図２と共に参照すると、上部ケース１１２及び下部ケース１１４の外周面が熱融着されてシーリングされた突出部位１１７，１１８を折り曲げて密着させることによって、電池セルをよりコンパクト化した構造が示されている。
本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る電池セルは、階段状の段差を形成することによって、電池セルの装着空間の確保を容易にし、デバイスの内部空間の活用度を極大化することができるだけでなく、デバイスに高容量の電池セルの使用が可能であり、デバイスをより小型化するという効果を提供する。
また、電極組立体と電池ケースの構造的特徴により、デザインの変更にもかかわらず、所望の電池セルを容易に製造することができる。
Claims (19)
- 正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体が電池ケースに内蔵されている電池セルであって、
上部ケース及び下部ケースからなっており、電極組立体の収納のために、前記上部ケースには第１収納部が形成されており、前記下部ケースには第２収納部が形成されており、前記第１収納部及び前記第２収納部は大きさが互いに異なる構造で形成されている電池ケースと、
前記第１収納部及び前記第２収納部の内面形状に対応する外面形状からなる電極組立体と、
を含み、
前記第１収納部及び前記第２収納部は、平面視でそれぞれ長方形状からなっており、
前記電極組立体は、前記第１収納部の内面形状に対応する外面形状を有する第１ユニットセルと、前記第２収納部の内面形状に対応する外面形状を有する第２ユニットセルとの組み合わせからなることを特徴とする、電池セル。 - 前記電池ケースは、金属層と樹脂層のラミネートシートからなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記電池ケースは、前記上部ケース及び前記下部ケースが一単位の部材として形成されており、前記下部ケースを覆う構造で前記上部ケースを折り曲げた状態で、密封のために外周面が熱融着されることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記上部ケース及び前記下部ケースは、互いに独立した部材からなっており、前記部材の外周面が密封のために熱融着されることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記第１収納部の前記長方形状及び前記第２収納部の前記長方形状は、横幅（横の長さ）及び縦幅（縦の長さ）のうちの少なくとも１つが異なることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記第１収納部の深さは、前記第２収納部の深さよりも浅いことを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記第１収納部の前記長方形状の平面視の広さは、前記第２収納部の前記長方形状の平面視の広さよりも狭いことを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記第１収納部の一側面及び前記第２収納部の一側面は、上下に隣接する構造で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記隣接する構造で形成されている前記第１収納部の一側面及び前記第２収納部の一側面は、電極端子が位置する方向の一側面であることを特徴とする、請求項８に記載の電池セル。
- 前記第１収納部及び前記第２収納部は、電極端子が位置した方向の一側面、及び対向側面が上下に隣接する構造で形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の電池セル。
- 前記第１収納部及び前記第２収納部は、電極端子が位置した方向の一側面、及び前記一側面を基準として平面視で垂直方向の一側面又は両側面と上下に隣接する構造で形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の電池セル。
- 前記第１収納部及び前記第２収納部は、電極端子が位置した方向の対向側面、及び前記対向側面を基準として平面視で垂直方向の一側面又は両側面と上下に隣接する構造で形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の電池セル。
- 前記第１収納部は、平面視で前記第２収納部の内側に位置するように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記ユニットセルは、それぞれ直方体状からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記ユニットセルは、電極端子が同じ方向に配列されるように積層されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記ユニットセルの電極タブは、１つの電極リードに結合されて電池セルの電極端子を形成する構造であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記電池セルは、リチウムイオン電池セルまたはリチウムイオンポリマー電池セルであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 請求項１乃至１７のうちのいずれかに記載の電池セルを電源として含んでいるデバイス。
- 前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、タブレットＰＣ、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、及び電力貯蔵装置からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１８に記載のデバイス。
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