KR101890014B1 - 전극 리드 및 이를 포함하는 고용량 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지를 버스 바에 전기적으로 연결시키기 위한 용접시 전극 리드의 두께 증가에 의한 용접 곤란함을 해소하면서 전극 리드 고유의 기능을 발휘하도록 설계된 전극 리드 및 이를 포함하는 고용량 전지 모듈에 관한 것이다.

Description

전극 리드 및 이를 포함하는 고용량 전지 모듈 {Electrode lead and battery module for high capacity comprising the same}

본 발명은 전극 리드 및 이를 포함하는 고용량 전지 모듈에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

대표적인 파우치형 전지셀의 사시도가 도 1에 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 이차전지(100)는 전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하는 파우치 외장재로 이루어지는 것이 일반적이다.

여기서, 전극 조립체는 양극판과 음극판, 그리고 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 기본 구조로 가지며, 파우치 외장재에 형성된 내부 공간에 수용된다.

양극판과 음극판으로부터는 각각 하나 이상의 양극 탭과 음극 탭이 연장될 수 있으며, 이러한 양극 탭과 음극 탭은 각각 양극 리드와 음극 리드에 결합되며, 양극 리드와 음극 리드의 일부(110, 110-1)는 파우치 외장재의 일부로 노출됨으로써 이차전지의 외부 구성, 이를 테면 다른 이차전지나 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있도록 전극 단자를 제공한다.

파우치 외장재는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면, 상단부 및 하단부를 밀봉시킴으로써 파우치형 이차전지(100)가 제조된다. 파우치 외장재는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면, 상단부 및 하단부에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다.

상기와 같은 이차전지 하나 이상이 적층되어 단위 전지셀을 구성할 수 있으며, 이러한 단위 전지셀 복수개가 중대형 전지모듈을 구성할 수 있다. 이러한 전지 모듈에서 이차전지 전극 탭에 연결된 전극 리드가 버스 바에 용접되어 전기적으로 연결되어 있는데, 전극 리드를 버스 바에 용접할 때 전극 리드의 두께 및 폭이 증가함에 따라 용접 작업성이 곤란해지는 문제가 발생한다. 이러한 문제점은 특히 다수의 단위 전지셀들이 적층되어 사용되는 고용량 전지모듈에서 심각하다.

본 발명에서는 전극 리드를 버스 바에 전기적으로 연결시키기 위한 용접시 전극 리드의 두께 증가에 의한 용접 곤란함을 해소하면서 전극 리드 고유의 기능은 발휘되도록 하는 전극 리드 및 이를 포함하는 고용량 전지 모듈을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 양태에 따르면, 보다 얇은 두께로 형성된 말단부를 갖는 전극 리드가 제공된다.

상기 말단부는 버스 바에 용접될 부분에 해당할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 전극 리드를 포함하는 단위 전지셀이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 이차전지를 포함하는 단위 전지셀이 포함되며, 상기 단위 전지셀의 전극 리드가 버스 바에 용접되어 있는 고용량 전지 모듈이 제공된다.

상기 말단부의 두께는 소정의 수학식을 만족하도록 하는 두께일 수 있다.

상기 말단부의 두께는 0보다 크고 1mm 이하, 또는 0 보다 크고 0.5 mm 이하, 또는 0.01 mm 이상 0.2 mm 이하, 또는 0.05 mm 이상 0.1 mm 이하일 수 있다.

상기 말단부의 길이는 0.1 mm 내지 20 mm 일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 전극 리드 말단부와 버스 바를 면접시킨 상태에서 용접을 실시하는 것인 전극 리드를 버스 바에 용접시키는 방법이 제공된다.

본 발명의 일 양태에 따른 전극 리드는 전극 리드를 버스 바에 용접할 때에 증가하게 되는 리드 두께가 감안되어 제작되었기 때문에 용접이 용이하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.

또한, 얇은 두께를 가지면서도 전기적 연결이 가능하도록 하는 전극 리드의 두께가 확보됨에 따라 전극 리드의 본연의 기능이 발휘될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따른 전극 리드는 고용량 전지 모듈에서 사용하기에 바람직하다.

도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도이다.
도 2는 일반적인 단위 전지셀의 사시도이다.
도 3은 일반적인 버스 바의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 양태에 따른 전극 리드의 측면도이다.

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 2에는 일반적인 단위 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 일반적인 버스 바의 사시도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 일 양태에 따른 전극 리드의 측면도가 도시되어 있다.

상기 도면을 참조하면, 단위 전지셀(200)은 2개 혹은 그 이상의 이차전지(20)가 병렬로 연결되어 구성되어 있으며, 이러한 단위 전지셀(200)의 전극 리드(210, 210-1)가 버스 바에 용접되어 상호 전기적으로 연결된다.

본원 명세서에서 ‘버스 바’ 또는 ‘bus bar’라 함은, 복수개의 전지 셀을 사용하여 전지 모듈을 구성하는 경우에 전지셀들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 부재(member)로, 판상 본체, 체결부 및 전기적 연결부를 포함하여 구성되며, 체결부와 전기적 연결부는 판상 본체의 양단을 적절히 절곡하여 형성된 양태를 포함하는 것으로 이해한다.

버스 바의 일례로 도 3을 참조하면, 버스 바(300)는 판상 본체(310)의 양단에 각각 체결부(320)와 전기적 연결부(330)가 형성되어 있고, 판상 본체(310)의 하면에는 전극 리드가 접속되어 추후 용접(솔더링)된다. 체결부(320)와 연결부(330)는 그러한 전극 리드의 접속면에 대해 반대 방향으로 절곡되어 있다.

본 발명의 일 양태에 따른 전극 리드는 말단부가 보다 얇은 두께로 형성되는 것을 특징으로 하며, 여기서 말단부라 함은, 전극 리드의 일 방향이 전극 탭과 연결되는 방향이라 하고 다른 방향이 버스 바에 연결되는 방향이라 할 때, 버스 바에 연결되는 전극 리드 부분을 의미하는 것으로, 도 4를 참조할 때 'L' 부분을 의미한다.

전극 리드 말단부의 두께는 용접의 편이성을 가능하게 하면서도 전극 리드 본연의 기능이 가능하도록 설계되어야 한다. 이를 위해, 전극 리드 말단부의 두께(W1)는, 도 4로부터 알 수 있듯이, 전극 탭과 전기적으로 연결되는 리드 부분의 두께(W2)보다 얇게 형성되어야 한다. 도 4에는 리드 말단부가 한 개의 단차에 의해 얇아지는 양태만이 개시되어 있으나, 리드 말단부에 두 개의 단차가 형성되어 보다 얇아지는 양태 및 특별한 단차를 형성하지 않으면서 두께가 서서히 얇아지는 양태도 본 발명에 포함되며, 이러한 단차의 유무 혹은 개수는 단위 전지 셀의 구조, 버스 바의 구조, 용접 방법, 전지 모듈의 용도 등을 고려하여 결정할 수 있다.

보다 구체적으로, 전극 리드에 단차가 형성되어 보다 얇은 두께를 갖는 양태에서 전극 리드 말단부의 두께는 소정의 수학식에 따른 수치 범위로 형성되어 용접 편이성과 함께 정상적인 전지 성능을 확보할 수 있다.

예컨대, 전극 리드 말단부의 두께는 0보다 크고 1mm 이하, 또는 0 보다 크고 0.5 mm 이하, 또는 0.01 mm 이상 0.2 mm 이하, 또는 0.05 mm 이상 0.1 mm 이하일 수 있다. 또한, 전극 리드 말단부의 길이는 0.1 mm 내지 20 mm 일 수 있다.

전극 리드 말단부의 두께(W1)가 상기 상한치보다 두껍게 형성되는 경우, 전극 리드의 용접시 전극 리드의 두께 증가가 지나치게 커져서 버스 바로의 용접이 어려워지는 문제점이 발생한다. 또한, 전극 리드 말단부의 두께(W1)가 상기 하한치보다 얇게 형성되는 경우에는 전기 전도성이 저하되는 문제가 발생하는데, 이러한 전기 전도성의 저하는 고용량 전지 모듈에서 더욱 심각한 결과를 초래할 수 있으므로 전극 리드 말단부 두께의 하한치를 정확히 인식하는 것이 중요하다.

두께가 보다 얇게 형성되는 리드 말단부의 길이(도 4, 'L')는 리드 재질, 리드 전체의 길이, 용접 방법, 용접이 이루어질 부분 등을 고려하여 결정할 수 있다. 예컨대, 전지 케이스로부터 돌출된 부분 중 용접이 이루어지는 부분을 고려하여 결정할 수 있다.

전극 리드는 당업계에서 통상적으로 사용되는 도전성 소재로 제작될 수 있으며, 예컨대, 금속 재질로 구성될 수 있다. 이 때, 금속 재질의 비제한적인 예로는 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 크롬, 금, 은, 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 합금을 들 수 있다.

본 발명의 일 양태에서는 전극 리드 말단부와 버스 바가 면접한 상태에서 용접을 실시하는 것이 전기전도성 측면에서 바람직하다. 따라서, 버스 바의 편평한 판상 본체 하면에 전극 리드를 용접시키는 경우, 전극 리드 말단부 중 단차가 형성되지 않은 면이 버스 바의 판상 본체 하면에 면접하도록 위치시키고 용접을 실시하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

전극 리드를 버스 바에 용접시키는 방법은 당업계에서 통상적으로 실시되는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 일례로 레이저 용접, 저항 용접, 초음파 용접 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 복수개의 단위 전지셀이 전기적으로 연결되어 구성된 고용량 전지 모듈은 전기자동차, 특히 하이브리드 전기자동차의 동력원으로서 매우 유용하다.

고용량 전지 모듈에 사용되는 이차전지는 충방전이 가능한 이차전지로서, 바람직하게는 높은 집적도(밀집도)로 축적될 수 있는 각형 전지 또는 파우치형 전지 등이 사용될 수 있으며, 그 중 파우치형 전지가 더욱 바람직하다.

상기 이차전지는 양극, 음극, 분리막 및 전해질이 전지 케이스에 밀봉된 상태로 내장되어 있으며, 얇은 필름상의 양극과 음극 사이에 미세 다공성 분리막이 개재된 전극 조립체가 권취된 형태의 젤리-롤형 구조와 양극/분리막/음극의 풀셀 또는 바이셀이 순차적으로 적층된 형태의 스택형 구조 등 다양한 구조가 가능하다. 양극과 음극에 각각 도포되어 있는 활물질 역시 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 양극 활물질은 높은 안전성의 리튬 망간계 산화물로 이루어져 있고, 음극 활물질은 탄소 재료로 이루어져 있다. 특히, 바람직한 단위전지는 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지이다.

이상, 도면을 참조하여 본 발명을 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 (7)

1. 단위전지셀의 전극 리드를 버스바에 전기적으로 연결하는 방법에 있어서,
   상기 단위전지셀은 파우치 외장재에 전극조립체가 수용되어 있는 파우치형 이차전지이고,
   상기 파우치형 이차전지의 양극판과 음극판으로부터 각각 하나 이상의 양극 탭과 음극 탭이 연장되어 있으며,
   상기 양극 탭과 음극 탭이 각각 양극 리드와 음극 리드에 결합되고,
   상기 양극 리드와 음극 리드가 파우치 외장재로부터 노출되어 버스바에 전기적으로 연결되며,
   이 때, 상기 양극 리드와 음극 리드의 말단부는 버스 바에 연결되는 리드 부분이 전극 탭과 전기적으로 연결되는 리드 부분 두께보다 얇게 형성되도록 리드 일면에만 단차가 형성되어 있되 상기 단차는 파우치 외장재로부터 노출된 부분에 형성되어 있으며,
   상기 양극 리드와 음극 리드는 리드 말단부 중 단차가 형성되지 않은 면이 버스바의 판상 본체 하면에 면접하도록 위치시키고 솔더링되는 것을 특징으로 하는 방법 .
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 전극 리드의 말단부의 두께가 0.05 mm 이상 0.1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 전극 리드의 말단부의 길이가 0.1 mm 내지 20 mm 인 것을 특징으로 하는 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 파우치 외장재는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그 내면에 형성된 수납부에 전극조립체가 장착되어 있으며, 상호 접촉 부위인 양측면, 상단부 및 하단부가 밀봉된 구조인 것을 특징으로 하는 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 파우치 외장재는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 단위전지셀이 고용량 전지 모듈에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
   

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