KR100821857B1 - 이차전지 팩 - Google Patents

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KR100821857B1
KR100821857B1 KR1020060102634A KR20060102634A KR100821857B1 KR 100821857 B1 KR100821857 B1 KR 100821857B1 KR 1020060102634 A KR1020060102634 A KR 1020060102634A KR 20060102634 A KR20060102634 A KR 20060102634A KR 100821857 B1 KR100821857 B1 KR 100821857B1
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battery cell
secondary battery
battery pack
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circuit board
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정순광
송석진
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 전지셀과 전지셀 상단의 절연성 장착부재가 특정한 체결구조를 통해 결합되는 이차전지 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재, 및 안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며, 상기 전지케이스의 상단면에는 적어도 하나의 체결홈이 형성되어 있고, 상기 절연성 장착부재의 하단면에는 상기 체결홈에 대응하는 체결돌기가 형성되어 있으며, 상기 체결돌기가 체결홈에 삽입되면서 전지셀에 대한 절연성 장착부재의 결합이 이루어지는 구조의 이차전지 팩을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 조립 공정을 크게 단순화시킬 수 있으며, 전지셀 상단에 장착되는 부재의 부피를 최소화하면서 동시에 안정적인 결합 강도를 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

이차전지 팩 {Secondary Battery Pack}
도 1 및 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 전지셀과 절연성 장착부재의 결합 전과 후의 구조에 대한 정면도들이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 분해 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 의한 전지셀 상단에 대한 부분 사시도이다;
도 5는 본 발명에 따른 전지셀 상단부에 탑재되는 절연성 장착부재에 대한 사시도이다;
도 6은 본 발명에 따른 절연성 장착부재 상에 탑재되는 안전소자에 대한 사시도이다;
도 7 내지 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 일련의 조립과정을 단계적으로 나타낸 부분 정면도들이다;
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩에 대한 모식도이다;
도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 의해 완성된 이차전지 팩에 대한 사시도이다;
도 13 및 14는 본 발명의 실험예 1에 대한 실험과정을 나타낸 사진들이다;
도 15 및 16은 본 발명의 실험예 2에 대한 실험과정을 나타낸 사진들이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 전지셀 110: 체결홈
200: 절연성 장착부재 210: 체결돌기
300: 안전소자 400: 절연성 캡
본 발명은 전지셀과 전지셀 상단의 절연성 장착부재가 특정한 체결구조를 통해 결합되는 이차전지 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재, 및 안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며, 상기 전지케이스의 상단면에는 적어도 하나의 체결홈이 형성되어 있고, 상기 절연성 장착부재의 하단면에는 상기 체결홈에 대응하는 체결돌기가 형성되어 있으며, 상기 체결돌기가 체결홈에 삽입되면서 전지셀에 대한 절연성 장착부재의 결합이 이루어지는 구조의 이차전지 팩을 제공한 다.
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.
그러나, 리튬 이차전지에는 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 이차전지에는 과충전 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 보호회로모듈(PCM)이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.
일반적으로 PCM을 포함하는 안전소자들은 전극단자와 전기적 접속을 유지하면서 동시에 전지셀의 다른 부분과는 전기적 절연상태를 유지하여야 한다. 따라서, 이러한 접속 형태를 구성하기 위해서는 다수 개의 절연성 장착부재들이 요구되며, 전지의 조립공정을 복잡하게 만든다는 단점을 가지고 있다. 또한, 전지셀과 상기 절연성 장착부재 사이에 접착제를 도포하여 결합하는 방식이 사용되고 있으나, 이러한 결합 방식은 전지의 강도를 약화시킨다는 단점이 있다. 이러한, 결합 강도의 약화는, 전지셀에 물리적 충격이 가해질 경우, 전기적 쇼트 등을 유발하여 발화 및 폭발 등 안전성에 문제를 일으킬 수 있다.
따라서, 전지셀에 탑재되는 절연성 장착부재의 수를 줄이면서 동시에 기계적 강도를 향상시키기 위한 다양한 기술들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예 를 들어, 한국 특허출원공개 제2002-077175호에는 전지케이스와 전지케이스의 상단에 장착되는 커버 중 어느 한쪽에는 로크 돌출부가 형성하고 다른 쪽에는 로크 수용부를 형성하여 이들간의 결합에 의해 체결되는 구조가 개시되어 있으며, 한국 특허등록 제0561298호에는 베어 셀과 베어 셀 상단의 전지 부품부 사이의 결합면에 서로 대응하는 요철부를 생성함으로써 체결이 이루어지는 구조가 개시되어 있다. 또한, 일본 특허출원공개 제2006-140149호에는 셀의 단자부에 장착되는 도전성 압착부재와 상기 도전성 압착부재에 끼워지는 도전성 감합부재로 구성되는 체결구조를 통해 셀과 보호용 커버를 결합하는 구조가 개시되어 있다.
그러나, 상기 기술들은 베어 셀의 상단과 셀 커버의 하단에 암/수형의 체결부재를 별도로 설치하여야 하는 번거로움이 있으며, 베어 셀과 셀 커버 사이에 장착되는 보호회로 기판과 베어 셀 사이에 전기적 절연을 위해 별도의 절연부재를 설치하여야 하는 문제점이 있다.
이외에도 일본 특허출원공개 제2006-04882호에는 베어 셀의 상단 양측에 체결홈을 형성하고 상부 캡의 하단에는 그에 상응하는 체결돌기를 형성한 다음, 상기 체결돌기를 체결홈에 압입시켜 결합되는 구조가 개시되어 있다. 또한, 한국 특허출원공개 제2006-32591호에는 배터리 코어의 상단에 보호회로 기판을 지지하기 위한 '구조 지지대'를 삽입한 상태에서 상부 커버를 장착하고, 상기 배터리 코어 상단의 포지션 홀과 상부 커버 하단의 포지션 노치를 포함하는 이차전지가 개시되어 있다.
그러나, 상기 기술들은 모두 전지셀의 단자와 보호회로 기판 사이의 전기적 절연을 위해 별도의 부재를 삽입해야 하기 때문에 조립공정을 복잡하게 한다는 문제점을 가지고 있다. 그러한 문제점을 이하에서 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 이차전지의 전극단자가 노출되어 있는 일 측면에는 전지의 과충전, 과방전 및 과전류를 제어하는 보호회로를 포함하고 있는 모듈(PCM: Protection Circuit Module)이 탑재된다. 이러한 PCM은 전지셀의 양 전극단자와 전기적 연결됨과 동시에 전지셀의 다른 부분과는 단락을 방지하기 위해 전기적 절연 상태를 유지하여야 한다. 따라서, PCM 기판과 전지셀 사이에는 절연성의 부재가 삽입되어야 하며, 별도로 전극단자와의 전기적 연결을 위해 접속 핀 등의 전도성 부재가 추가로 부가될 것이 요구된다.
또한, 상기 배터리 코어 상단에 보호회로 기판을 지지하기 위한 구조 지지대를 추가하는 기술에 있어서, 상기 구조 지지대는 보호회로 기판이 정확한 위치에 장착되도록 유도하고 이를 지지하는 역할에 불과할 뿐이고, 보호회로 기판이 구조 지지대의 하단에 탑재되는 구조이기 때문에 여전히 별도의 절연성 부재의 장착을 필요로 한다.
이와 같이 절연성/전도성 부재를 추가로 장착하는 것은 조립 공정을 복잡하게 하고, 전지셀과 상부 캡과의 체결구조 사이에 다수 개의 부재들을 추가로 부설하는 구조는 기계적 결합 강도를 약화시킬 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 전지셀의 상단에 장착되는 부재의 수를 감소시켜 조립공정을 단순화할 뿐만 아니라 전지셀과 장착부재 사이에 안정적인 결합 강도를 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지셀과 상단에 탑재되는 절연성 장착부재 사이를 특정한 형태의 체결 구조를 통해 결합하는 것으로 이차전지 팩을 구성하는 경우, 조립 공정을 크게 단순화시킬 수 있으며, 전지셀 상단에 장착되는 부재의 부피를 최소화하면서 동시에 안정적인 결합 강도를 유지할 수 있는 잇점을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 전지셀과 전지셀 상단의 절연성 장착부재가 특정한 체결 구조를 통해 결합되는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 이차전지 팩은,
양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀;
상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재, 및
안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
을 포함하고 있으며,
상기 전지케이스의 상단면에는 적어도 하나의 체결홈이 형성되어 있고, 상기 절연성 장착부재의 하단면에는 상기 체결홈에 대응하는 체결돌기가 형성되어 있으며, 상기 체결돌기가 체결홈에 삽입되면서 전지셀에 대한 절연성 장착부재의 결합이 이루어지는 구조를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지 팩은, 전극조립체가 내장된 전지셀, 안전소자가 상부에 탑재되고 전지셀의 상단면에 밀착되는 절연성 장착부재, 및 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며, 전지셀의 상단면과 상기 절연성 장착부재 사이의 결합은 체결홈과 그에 대응하는 체결돌기의 상호 결합에 의해 이루어진다.
상기 전지케이스는 가공상의 용이성과 일정 수준 이상의 기계적 강도가 요구되므로, 금속 소재의 캔일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 캔일 수 있다.
상기 절연성 장착부재는 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로서 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성의 소재로 구성된다. 본 발명의 하나의 실시예로서, 상기 절연성 장착부재는 전지셀의 상단면과 대략 일치하는 크기를 가지며, 중앙에 전지셀의 제 1 전극단자가 노출되는 제 1 개구와, 상기 제 1 개구로부터 소정의 이격거리에 전지셀의 케이스 상단면의 일부(제 2 전극단자)가 노출되는 제 2 개구가 형성되는 것으로 구성되어 있다. 또한, 상기 절연성 장착부재의 양측 단부는 안전소자의 장착공간을 확보하기 위해서 소정의 높이로 상향 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
상기 안전소자는 전지의 과충전, 과방전 및 과전류를 제어하는 보호회로를 포함하고 있는 모듈(PCM: Protection Circuit Module)과, 장방형의 모듈 하단에 장착되어 있는 보호회로와 전기적으로 연결되어 있는 한 쌍의 접속부재를 포함하는 것으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 PTC 소자, 퓨즈, 및 보호회로 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것으로 구성될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 안전소자는 PTC 소자 및 보호회로 기판이며, PTC 소자의 일측 단부를 전지셀의 제 1 전극단자에 연결한 후 타측 단자를 보호회로 기판에 연결하며, 전지셀의 제 2 전극단자를 보호회로 기판에 연결하는 구조일 수 있다.
바람직하게는, 상기 PTC 소자와 보호회로 기판의 전기적 연결(a) 및 전지셀의 제 2 전극단자와 보호회로 기판의 전기적 연결(b)은 가변성의 접속부재에 의해 수행하는 것으로 구성될 수 있다. 특히, 상기 보호회로 기판에 전기적 연결(a)을 위한 접속부재와 전기적 연결(b)을 위한 접속부재를 각각 결합시킨 후, 상기 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 각각 결합시키는 구조가 바람직하다.
상기 접속부재는 가변성의 전도성 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 니켈 플레이트일 수 있다.
상기 보호회로 기판을 전지셀의 상단면에 대략 90도 이상의 각도로 위치시킨 상태에서 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 결합시킨 후, 가변성 접속부재들을 절곡하여 보호회로 기판이 전지셀의 상단면에 평행하게 절연성 장착부재 상에 탑재 될 수 있도록, 상기 접속부재들은 절곡 부위가 동일한 일 측면을 향하도록 보호회로 기판에 결합되는 구조일 수 있다.
예를 들어, 판상형의 보호회로 모듈(PCM)을 전지셀의 상단면에 대해 수직 방향으로 위치시킨 상태에서, 니켈 플레이트들을 전극단자에 스팟 용접으로 결합시킨 후, 보호회로 모듈이 전지셀의 상단면에 평행하게 절연성 장착부재 상에 탑재될 수 있도록 상기 니켈 플레이트들을 절곡하여 결합하는 구조일 수 있다.
상기 체결홈과 체결돌기의 결합은 전지셀에 대해 길이 방향으로 이루어지기 때문에, 전지셀에 대한 수직방향의 충격에 비해 길이방향의 장력에 대해서는 상대적으로 취약할 수 있다. 따라서, 상기 체결홈에 접착제를 주입한 상태에서, 상기 체결돌기를 결합시킴으로써 이러한 취약점을 보완할 수 있다.
경우에 따라서는, 체결부재에 의한 결합력을 보완하기 위하여, 전지셀의 상단면 또는 절연성 장착부재의 하단면에 접착제를 추가로 부가할 수도 있음은 물론이다.
상기 절연성 캡은 전지셀을 외부의 충격으로부터 보호하고 전지셀 상단에 장착되는 부재들에 대한 기계적 강도를 보완함과 동시에 전기적 절연상태를 유지하는 역할을 수행하게 된다. 이를 위해 상기 절연성 캡은 전지셀 상에 장착된 상태에서 그것의 적어도 일부가 전지셀의 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되는 구조일 수 있다. 이러한 효과를 극대화하기 위하여, 상기 절연성 캡의 하향 연장부는 전지셀의 상단부 외측면에 접착 방식 또는 기계적 체결 방식으로 결합되어 있는 구조가 바람직하다.
상기 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡 이외에 하단부에도 별개의 절연성 캡(하단 캡)이 장착되는 구조일 수 있으며, 상기 전지셀의 케이스 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 구조일 수 있다. 이를 통해 외부 충격으로부터 전지셀을 보호하고 전기적 절연상태를 유지할 수 있다. 바람직하게는 상기 외장 필름은 절연성 캡의 하향 연장부를 감싸는 구조로 부착되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 팩은, 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용가능하며, 바람직하게는 각형의 리튬 이차전지 셀일 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 전지셀과 절연성 장착부재의 결합 전과 후의 형상에 대한 정면도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 함께 참조하면, 전지셀(100)의 상단에는 다수의 체결홈(110)이 형성되어 있고, 절연성 장착부재(200)의 하단에는 체결홈(110)에 대응하는 체결돌기(210)가 형성되어 있다. 전지셀(100)은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(도시하지 않음)가 전해액과 함께 전지케이스(금속 캔)의 내부에 밀봉되어 있으며, 상단에는 전극단자들이 형성되어 있다.
절연성 장착부재(200)는 절연성의 부재로 전지셀(100)에 대한 전기적 절연성을 유지하면서 전극단자들이 노출될 수 있는 개구(도시되지 않음)가 형성되어 있다. 절연성 장착부재(200)는 전지셀(100)의 상단에 밀착된 상태로 탑재되며, 체결 돌기(210)가 체결홈(110)에 삽입되면서 전지셀(100)에 대한 절연성 장착부재(200)의 결합이 이루어진다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지 팩(500)은, 전지셀(100), 절연성의 장착부재(200), 안전소자로서의 보호회로 기판(310) 및 PTC 소자(320), 절연성의 상/하단 캡(400, 410), 및 외장 필름(140)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
전지셀(100)은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 각형 금속 캔의 내부에 밀봉되어 있는 구조이며, 전지셀(100)의 상단면에는 절연성 장착부재(200)와의 결합을 위한 오목한 형태의 다수 개의 체결홈(110)이 형성되어 있다.
절연성 장착부재(200)는 전지셀(100)의 전극단자들(120, 130)이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 양측 단부는 안전소자로서의 보호회로 기판(310)과 PTC 소자(320)가 그것의 상부에 안정적으로 탑재될 수 있도록 소정의 높이로 상향 돌출되어 있으며, 전지셀(100)의 상단면에 직접 밀착되도록 장착된다. 또한, 절연성 장착부재(200)의 하단면에는 전지셀(100) 상단면의 체결홈(110)에 대응하는 체결돌기가 다수 개 형성되어 있다.
절연성 상단 캡(400)은 안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(200)를 감싸면서 전지셀(100)의 상단부에 결합되며, 전지셀(100)의 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되어 있고, 상단면 일측에는 A/S 라벨(420) 이 부착된다.
전지셀(100)의 하단에는 하단 캡(410)이 접착성의 하단 캡 테이프(411)에 의해 장착되고, 전지셀(100)의 외주부는 절연성의 외장 필름(140)으로 감싸게 된다. 안전소자(300)의 구조는 이하 도 6에서 상세히 살펴본다.
도 4 및 도 5를 통해 전지셀의 상단부와 상기 상단부에 장착되는 절연성 장착부재에 대해 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
도 4를 참조하면, 전지셀(100) 상단면은 중앙에 돌출단자로의 음극단자(120)가 형성되어 있고, 전지케이스 자체가 양극을 형성하며, 음극단자(120)는 절연성 부재(121)에 의해 전기적으로 절연되어 있다. 따라서, 소정 부위에 니켈 클래드(clad)를 부착하여 양극단자(130)를 형성하며, 절연성 장착부재(도 3의 200)의 체결돌기가 결합할 수 있도록, 전지셀 상단면의 양측 단부에는 한 쌍의 체결홈들(110)이 형성되어 있다.
도 5에는 전지셀 상단부에 탑재되는 절연성 장착부재의 사시도가 도시되어 있다. 절연성 장착부재(200)는 전지셀(100)의 상단면과 대략 일치하는 크기를 가지고 있으며, 중앙에는 전지셀(100)의 음극단자(도 4: 120)가 노출되는 제 1 개구(201)와, 제 1 개구(201)로부터 소정의 이격거리에 전지셀(100) 상단면의 일부(양극단자; 도 4의 130)가 노출되는 제 2 개구(202)가 각각 형성되어 있다. 양측 단부(220)는 안전소자(도 6: 300)가 탑재될 수 있는 공간을 확보하기 위해 소정의 높이로 상향 돌출되어 있다.
또한, 절연성 장착부재(200)의 하단에는 전지셀(100) 상단에 형성되어 있는 체결홈(도 4: 110)에 대응하는 다수 개의 체결돌기(210)가 형성되어 있으며, 이러한 체결돌기(210)는 전지셀(100) 상단면의 체결홈(110)과 결합하여 기계적 체결 구조를 이루게 된다.
도 6에는 본 발명에 따른 절연성 장착부재 상에 탑재되는 안전소자에 대한 사시도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 안전소자(300)는 보호회로 기판(310)과 PTC 소자(320)로 이루어져 있으며, 보호회로 기판(310)은 전지의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하기 위한 보호회로(도시하지 않음)가 에폭시 복합체의 장방형 구조물에 인쇄되어 있는 PCB(Printed Circuit Board) 구조로 이루어져 있다. 보호회로 기판(310)의 하단에는 그러한 보호회로에 전기적으로 연결되어 있는 접속부재로서 한 쌍의 니켈 플레이트들(331, 332)이 부착되어 있고, 이들은 각각 음극과 양극단자에 전기적으로 접속된다.
PTC 소자(320)의 일측 단자를 전지셀(도 4: 100)의 음극단자(120)에 연결한 다음 타측 단자는 보호회로 기판(310)의 음극에 연결하며, 전지셀(100)의 양극단자(130)는 보호회로 기판(310)의 양극에 직접 연결한다.
이하 도 7 내지 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지팩의 일련의 조립과정을 단계적으로 설명하기 위한 부분 정면도들이 도시되어 있다.
우선, 도 7을 참조하면, 전지셀(100)의 상단면에는 다수 개의 체결홈들(110)이 형성되어 있고, 절연성 장착부재(200)의 하단면에는 체결홈(110)에 대응하는 체결돌기(210)가 형성되어 있다. 따라서, 체결돌기(210)가 체결홈(110)에 삽입되면 서 전지셀(100)에 대한 절연성 장착부재(200)의 결합이 이루어진다.
그런 다음, 도 8 및 9에서 보는 바와 같이, 보호회로 기판(310)과 PTC 소자(320)를 포함하는 안전소자(300)를 절연성 장착부재(200) 상에 탑재한다. 보호회로 기판(310)을 전지셀(100) 상단면에 대해 수직 방향으로 위치시킨 상태에서, PTC 소자(320)의 일측 단자를 전지셀(100)의 음극단자(120)에 연결하고 타측 단자를 보호회로 기판(310)의 음극에 연결하며, 양극단자(130)를 보호회로 기판(310)의 양극에 연결한다. 이 때, PTC 소자(320)와 보호회로 기판(310)의 전기적 연결과 전지셀(100)의 양극단자(130)와 보호회로 기판(310)의 전기적 연결은 니켈 플레이트들(331, 332)을 사용하여 수행하게 된다. 그런 다음, 보호회로 기판(310)이 전지셀(100)의 상단면에 평행하게 절연성 장착부재(200)에 탑재될 수 있도록 니켈 플레이트들(331, 332)을 절곡하며, 니켈 플레이트들(331, 332)은 절곡 부위가 동일한 일 측면을 향하도록 보호회로 기판(310)에 결합되어 있다. 니켈 플레이트들(331, 332)의 결합 위치 및 결합된 상태의 절곡 형상은 도 3에서도 확인할 수 있다.
마지막으로, 도 10을 참조하면, 절연성 캡(400)은 안전소자(도시하지 않음)가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(200)를 감싸면서 전지셀(100)의 상단부에 결합되며, 절연성 캡(400)의 하향 연장부는 전지셀(100) 상단부의 외측면을 감싸면서 기계적 체결을 이루게 된다.
도 11에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩에 있어서, 상단 캡과 하단 캡이 전지셀에 탑재되어 있는 모습을 모식적으로 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 전지셀(100)의 상단에 탑재되는 절연성 캡(400) 외에, 전지셀(100)의 하단부에는 또 다른 절연성 캡(하단 캡; 410)이 결합되어 있다. 즉, 전지셀(100)의 하단면에는 양면에 접착성이 있는 하단 캡 테이프(411)가 부착되어 있으며, 하단 캡 테이프(411)에 의해 결합되는 절연성의 하단 캡(410)이 추가로 탑재되어 있다.
도 12에는 본 발명의 하나의 실시예에 의해 완성된 이차전지 팩에 대한 사시도가 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, 이차전지 팩(500)은 전지셀의 상단부에 안전소자, 절연성 장착부재를 탑재한 상태에서, 절연성의 상단 캡(400), 외장 필름(140), 및 하단 캡(도시하지 않음)에 의해, 외부 입출력 단자부를 제외한 나머지 부분은 외부와 전기적으로 절연상태에 있게 된다.
또한, 상기 전지셀 상단면의 체결홈과 그에 대응하는 체결돌기의 형상, 위치, 및 개수는 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
양극은 일반적으로 알려진 조성으로 리튬 코발트 산화물, PVdF 및 도전재의 슬러리를 알루미늄 집전체 위에 코팅하여 제조하였고, 음극은 일반적으로 알려진 조성으로 흑연, PVdF 및 도전재의 슬러리를 구리 집전체 위에 코팅하여 제조하였다.
상기 양극과 음극 사이에 그것들 보다 다소 큰 크기로 재단된 분리막을 개재시켜 전극조립체를 조립하고, 각형의 알루미늄 전지 캔 내부에 전극조립체를 장착하였다. 전지 캔 뚜껑을 덮고 주입구를 통해 전해액을 주입하여 전지셀을 제작하였다.
도 3에서와 같은 구조의 전지셀에서 상단면에 형성한 체결홈에 접착제를 주입한 상태에서, 절연성 장착부재 하단면의 체결돌기를 상기 체결홈에 결합함으로써 절연성의 절연성 장착부재를 탑재하였다.
그런 다음, 상기 절연성 장착부재 상에 보호소자를 연결한 후, 절연성의 상단 캡과 하단 캡을 결합하고 외장 필름으로 전지셀의 외주면을 감쌈으로써 도 12에서와 같은 이차전지 팩을 완성하였다.
[비교예 1]
상기 전지셀의 상단면과 절연성 장착부재의 하단면에 각각 체결홈과 체결돌기를 형성하지 않은 상태에서, 접착제 만을 도포하여 전지셀과 절연성 장착부재를 결합시켰다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지 팩을 완성하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 20 개의 전지팩들에 대해 굴곡 테스트(bending test)를 실시하여 전지셀과 탑재된 절연성 장착부재간의 결합 강도를 측정하였다(도 13 및 14 참조). 즉, 전지팩의 상단 캡과 하단 캡 부분을 고정한 상태에서, 전지팩의 중간부에 가해지는 하중을 단계적으로 증가시켜, 전지팩이 파단될 때의 하중 크기를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure 112006076059186-pat00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 각 실시예들에 따른 전지는 비교예 1에 비하여 결합력이 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있다.
즉, 비교예 1에 의한 전지팩들은 35 kgf 이하의 하중이 가해지면 파단되고 그 중 대부분은 30 kgf의 하중도 견디지 못하고 파단되는데 반하여, 실시예 1의 전지팩들은 45 kgf 이상의 하중이 가해져야 파단되며 경우에 따라서는 55 kgf 의 하중에도 견딜 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 비교예 1의 경우에 전지셀과 절연성 장착부재 간의 결합은 사용되는 접착제의 접착력을 초과하는 충격이 가해지면 파단됨에 반하여, 실시예 1의 경우에는 상대적으로 적은 량의 접착제 혹은 접착제를 사 용하지 않은 경우라 하더라도 다수의 체결돌기와 체결홈 간의 기계적 결합을 통해 현저하게 상승된 결합력을 유지할 수 있기 때문이다.
[실험예 2]
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 20 개의 전지팩들에 대해 트위스트 테스트(twist test)를 실시하여 전지셀과 탑재된 절연성 장착부재간의 결합 강도를 측정하였다(도 15 및 16 참조). 즉, 전지팩의 상단 캡을 고정한 상태에서, 하단 캡을 한쪽 방향으로 외력을 가하여 비틀었다. 이 때, 가해주는 외력을 점진적으로 증가시켜 전지셀과 상부에 탑재된 절연성 장착부재 사이가 파단될 때의 외력의 크기를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
<표 2>
Figure 112006076059186-pat00002
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 각 실시예들에 따른 전지는 비교예 1에 비하여 결합력이 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있다.
즉, 비교예 1에 의한 전지팩들은 대부분 25 kg·cm 이하의 외력이 가해지면 파단되는데 반하여, 실시예 1의 전지팩들은 35 kg·cm 이상의 외력이 가해져야 파 단됨을 확인할 수 있다. 이는 접착체 만을 사용하여 전지셀과 절연성 장착부재 간의 결합을 형성하는 비교예 1에 비하여, 실시예 1의 경우에는 다수의 체결돌기와 체결홈 간의 기계적 결합을 통해 결합하기 때문이며, 특히 비트는 힘이 가해지는 경우에는 현저하게 상승된 결합력을 갖게 됨을 확인할 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 조립 공정을 크게 단순화시킬 수 있으며, 전지셀 상단에 장착되는 부재의 부피를 최소화하면서 동시에 안정적인 결합 강도를 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀;
    상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고,안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재; 및
    안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
    을 포함하고 있으며,
    상기 전지케이스의 상단면에는 적어도 하나의 체결홈이 형성되어 있고, 상기 절연성 장착부재의 하단면에는 상기 체결홈에 대응하는 체결돌기가 형성되어 있으며, 상기 체결돌기가 체결홈에 삽입되면서 전지셀에 대한 절연성 장착부재의 결합이 이루어지는 구조의 이차전지 팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 캔인 것을 특징으로 하는이차전지 팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재는 전지셀의 상단면과 일치하는 크기를 가지며, 중앙에 전지셀의 제 1 전극단자가 노출되는 제 1 개구와, 상기 제 1 개구로부터 소정의 이격거리에 전지셀의 케이스 상단면의 일부(제 2 전극단자)가 노출되는 제 2 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재의 양측 단부는 소정의 높이로 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 안전소자는 PTC 소자, 퓨즈, 및 보호회로 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 안전소자는 PTC 소자 및 보호회로 기판이며, PTC 소자의 일측 단부를 전지셀의 제 1 전극단자에 연결한 후 타측 단자를 보호회로 기판에 연결하며, 전지셀의 제 2 전극단자를 보호회로 기판에 연결하는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 PTC 소자와 보호회로 기판의 전기적 연결(a) 및 전지셀의 제 2 전극단자와 보호회로 기판의 전기적 연결(b)은 가변성의 접속부재에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 보호회로 기판에 전기적 연결(a)을 위한 접속부재와 전기적 연결(b)을 위한 접속부재를 각각 결합시킨 후, 상기 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 각각 결합시키는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 보호회로 기판을 전지셀의 상단면에 위치시킨 상태에서 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 결합시킨 후, 가변성 접속부재들을 절곡하여 보호회로 기판이 전지셀의 상단면에 평행하게 절연성 장착부재에 탑재될 수 있도록, 상기 접속부재들은 절곡 부위가 동일한 일 측면을 향하도록 보호회로 기판에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 접속부재는 니켈 플레이트인 것을 특징으로하는 이차전지 팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 체결돌기를 삽입하기 전에 상기 체결홈에 접착제를 주입하는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 캡은 전지셀 상에 장착된 상태에서 절연성 캡의 적어도 일부가 전지셀의 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 절연성 캡의 하향 연장부는 전지셀의 상단부 외측면에 접착 방식 또는 기계적 체결 방식으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이 차전지 팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 하단부에는 또 다른 절연성 캡(하단 캡)이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  15. 제 1 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 전지셀의 케이스 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 외장 필름은 절연성 캡의 하향 연장부를 감싸는 구조로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형의 리튬 이차전지 셀인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
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