KR102092114B1 - 전지셀들이 직교 배향에 의해 일체로 형성되어 있는 구조의 전지팩 - Google Patents

전지셀들이 직교 배향에 의해 일체로 형성되어 있는 구조의 전지팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 일측 단부에 전극단자들이 형성되어 있는 2개의 전지셀들; 충방전의 전압 및 전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 인쇄회로기판(PCB), 및 상기 전지셀들의 전극단자들이 전기적으로 연결되도록 상기 PCB의 일면에 형성되어 있는 단자 접속부들을 포함하고 있는 보호회로 모듈(PCM);을 포함하고 있고, 상기 전지셀들은 PCM을 사이에 두고 서로 이격된 상태로 전극단자들이 상호 직교하는 방향으로 배열되어 있으며, 상기 전지셀들 및 PCM은 외면 전체가 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

전지셀들이 직교 배향에 의해 일체로 형성되어 있는 구조의 전지팩 {Battery Pack Having Battery Cells Integrally Formed in Perpendicular Array}
본 발명은 전지셀들이 직교 배향에 의해 일체로 형성되어 있는 구조의 전지팩에 관한 것이다.
최근, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 충방전이 가능한 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
이러한 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다.
일반적으로, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
이러한 이차전지는 전지가 장착되는 디바이스에서 소요되는 용량에 따라, 다수의 전지셀을 연결하여 전지모듈 또는 전지팩으로 구성한다. 이차전지는 충방전이 반복됨에 따라 과충전, 과방전, 또는 과전류에 의해 전지의 이상 작동이 발생할 수 있으므로, 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 모듈에 다수의 전지셀들을 연결하여 전지의 충방전을 제어하게 된다.
또한, 이러한 이차전지는 전지가 장착되는 디바이스의 전지 수납 공간의 형상에 따라 전지셀들 및 보호회로 모듈의 배열 및 체결 구조가 제한될 수 있다.
따라서, 상기와 같은 전지모듈 또는 전지팩은 다수의 전지셀들과 보호회로 모듈이 제한된 공간에서 연결되기 때문에, 구조적으로 불안정해질 수 밖에 없다. 종래에는 이와 같은 구조적 불안정성을 해결하기 위하여, 전지셀들 및 보호회로 모듈에 대응하는 형상의 프레임을 형성하고, 상기 프레임에 전지셀들 및 보호회로 모듈을 장착한 상태에서 외면에 라벨 및 시트를 부착하여 전지모듈 또는 전지팩의 구조적 안정성을 꾀하였다.
그러나, 이와 같은 전지모듈 또는 전지팩 구조는, 전지가 장착되는 디바이스의 형상에 따라 프레임의 구조를 변경해야 하며, 프레임을 별도로 제조하는 공정 및 라벨 및 시트를 별도로 부착하는 공정이 추가되므로, 전지모듈 또는 전지팩의 전체 제조 공정 시간을 증가시키며, 제조 비용을 상승시키는 주요 원인이 되고 있다.
따라서, 이러한 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, 전지가 장착되는 디바이스의 전지 수납 공간에 대응하여 전지셀들을 유연하게 배열할 수 있고, 전지셀들 및 보호회로 모듈을 안정적으로 결합하기 위한 공정이 신속하고 용이하게 수행되어 제조 시간 및 비용을 절감할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 일측 단부에 전극단자들이 형성되어 있는 2개의 전지셀들;
충방전의 전압 및 전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 인쇄회로기판(PCB), 및 상기 전지셀들의 전극단자들이 전기적으로 연결되도록 상기 PCB의 일면에 형성되어 있는 단자 접속부들을 포함하고 있는 보호회로 모듈(PCM);
을 포함하고 있을 수 있고,
상기 전지셀들은 PCM을 사이에 두고 서로 이격된 상태로 전극단자들이 상호 직교하는 방향으로 배열되어 있을 수 있으며,
상기 전지셀들 및 PCM은 외면 전체가 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복되어 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀들이 PCM을 사이에 두고 서로 이격된 상태로 전극단자들이 상호 직교하는 방향으로 배열되어 있고, 전지셀들 및 PCM은 외면 전체가 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복되어 있음으로써, 전지가 장착되는 디바이스의 전지 수납 공간에 대응하여 전지셀들을 유연하게 배열할 수 있고, 전지셀들 및 보호회로 모듈을 안정적으로 결합하기 위한 공정이 신속하고 용이하게 수행되어 제조 시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 수지 피복에 의해 전지팩의 경량화 및 콤팩트한 구조를 달성할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전지셀들은 평면상으로 각각 사각형의 제 1 전지셀 및 제 2 전지셀로 이루어져 있을 수 있고, 상기 PCM은 평면상으로 사각형 형상으로 이루어져 있을 수 있다. 상기 전지셀들 및 PCM의 형상은 상기 전지팩이 장착되는 디바이스의 전지 수납 공간에 따라 다양한 형상으로 변경될 수 있다.
본 발명의 하나의 구체적인 실시예에서,
상기 제 1 전지셀은, 전극단자들이 형성되어 있는 변이 PCM의 제 1 변에 접한 상태에서, 상기 전극단자들이 PCM의 단자 접속부에 접촉되어 연결되어 있을 수 있고,
상기 제 2 전지셀은, 일측 변이 PCM의 제 1 변에 대향하는 제 2 변에 접한 상태에서, 전극단자들이 형성되어 있는 변이 PCM의 제 1 변 및 제 2 변에 각각 접한 제 3 변과 동일 선상에 위치하며, 상기 전극단자들은 PCM의 제 3 변 방향으로 연장되어 제 3 변에 형성되어 있는 단자 접속부에 접촉되어 연결되어 있을 수 있다.
상기 PCM의 제 1 변에는 상기 제 1 전지셀의 전극단자들에 대응하는 제 1 단자 접속부가 형성되어 있을 수 있고, 상기 PCM의 제 3 변에는 상기 제 2 전지셀의 전극 단자들에 전기적으로 연결되는 제 2 단자 접속부들이 형성되어 있을 수 있다.
상기 PCM의 제 1 변과 제 2 변은 제 3 변에 대해 상대적으로 장변으로 형성되어 있을 수 있다.
상기 제 2 전지셀의 전극단자와 상기 PCM의 단자 접속부 사이의 구체적인 연결 구조의 하나의 예에서,
상기 제 2 전지셀의 전극단자는,
전지셀로부터 돌출되어 있는 단자부;
상기 단자부의 돌출 방향에 직교한 상태로 단자부로부터 PCM의 제 3 변 방향으로 연장되어 있는 연장 접속부; 및
상기 연장 접속부로부터 PCM 쪽으로 연장되어 있고 단자 접속부에 접촉하여 연결되는 접촉 연결부;
를 포함하고 있을 수 있다.
상기 제 2 전지셀의 상기 전극단자들은 양극단자 및 음극단자로 이루어져 있을 수 있고, 상기 양극단자 및 음극 단자의 연장 접속부들이 접촉되어 발생할 수 있는 단락을 방지하기 위하여, 상기 양극단자 및 음극단자 각각의 연장 접속부들 사이에는 절연 부재가 개재되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시예에서, 상기 PCM에서 전지셀들이 접하지 않는 제 4 변에는 커넥터가 돌출된 형상으로 형성되어 있을 수 있다. 상기 커넥터는 전지팩이 장착되는 디바이스의 내부에 전기적으로 연결될 수 있도록, 커넥터의 연결 위치를 유연하게 결정할 수 있도록 PCM으로부터 연장된 와이어(wire)의 단부에 커넥터가 결합되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시예에서, 상기 전지팩은 상기 커넥터를 제외한 전지셀들 및 PCM의 외면 전체가 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복되어 있을 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 제 1 전지셀과 제 2 전지셀은 평면상에서 전극단자들이 형성되어 있는 변이 상대적으로 짧은 길이를 가진 직사각형 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 PCM의 제 1 변 및 제 2 변의 길이는 각각 제 1 전지셀의 전극단자들이 형성되어 있는 변의 길이와 동일하게 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 PCM의 제 2 변의 길이는 상기 제 2 변에 접해있는 제 2 전지셀의 일측 변의 길이보다 상대적으로 짧은 구조로 형성되어 있을 수 있다.
상기 수지의 구체적인 예로서, 상기 수지는 고무 또는 플라스틱일 수 있지만, 인서트 사출 성형에 의해 상기 전지셀들 및 PCM의 외면을 피복할 수 있다면 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전지셀은 파우치형 전지 또는 각형 전지일 수 있다.
상기 파우치형 전지는, 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트로 이루어져 있는 전지케이스에 전해액과 함께 내장되어 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 전극조립체는 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 단위셀은, 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 단위셀은, 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 단위셀은, 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 단위셀은, 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 전지케이스의 하나의 구체적인 예로서, 상기 전지케이스는 우수한 내구성의 수지 외층, 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 상기 수지 실란트층이 상호 열융착되는 것일 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.
상기 각형 전지는, 금속 캔 구조의 전지케이스에 전극조립체를 전해액과 함께 내장하고, 상기 금속 캔의 상단에 전극 단자를 형성하는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 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 분리막 및 분리필름은 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 ~ 130 ㎛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.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.
상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.
이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
리튬염 함유 비수 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 전지팩을 하나 이상 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 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 제조하는 방법으로서,
(a) 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고 일측 단부에 전극단자들이 형성되어 있는 2개의 전지셀들이, 보호회로 및 단자 접속부들이 형성되어 있는 PCM을 사이에 두고 서로 이격된 위치에서, 전극단자들이 상호 직교하는 방향으로 전지셀들을 배열하는 과정;
(b) 전지셀들의 전극단자들과 PCM의 단자 접속부들을 용접 내지 솔더링하여 결합하는 과정;
(c) 결합된 전지셀들 및 PCM을 금형 내에 위치시키고, 전지셀들 및 PCM의 외면 전체를 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복하는 과정;
을 포함하는 전지팩 제조 방법을 제공한다.
상기 전지팩 제조 방법에서, 상기 PCM에서 전지셀들이 접하지 않는 일측 변에는 커넥터가 돌출된 형상으로 형성되어 있고, 상기 인서트 사출 성형은 커넥터를 제외한 전지셀들 및 PCM의 외면 전체를 수지로 피복할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀들이 PCM을 사이에 두고 서로 이격된 상태로 전극단자들이 상호 직교하는 방향으로 배열되어 있고, 전지셀들 및 PCM은 외면 전체가 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복되어 있음으로써, 전지가 장착되는 디바이스의 전지 수납 공간에 대응하여 전지셀들을 유연하게 배열할 수 있고, 전지셀들 및 보호회로 모듈을 안정적으로 결합하기 위한 공정이 신속하고 용이하게 수행되어 제조 시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 수지 피복에 의해 전지팩의 경량화 및 콤팩트한 구조를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 2는 수지 피복 전 상태의 도 1의 전지팩의 사시도이다;
도 3은 도 2의 'A' 부위의 확대도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 제조 방법의 흐름도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 수지 피복 전 상태의 도 1의 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되41어 있으며, 도 3에는 도 2의 'A' 부위의 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전지팩(100)은 제 1 전지셀(300), 제 2 전지셀(400) 및 PCM(200)으로 이루어져 있다.
제 1 전지셀(300), 제 2 전지셀(400) 및 PCM(200)은 각각 평면 상 사각형 형상으로 이루어져 있다. 제 1 전지셀(300) 및 제 2 전지셀(400)은 서로 이격되어 있고, 제 1 전지셀(300)의 전극단자(310)와 제 2 전지셀(400)의 전극단자(410)들이 상호 직교하는 방향으로 배열되어 있다.
PCM(200)은 제 1 전지셀(300)과 제 2 전지셀(400) 사이에 위치하고 있고, 각각의 전지셀들(300, 400)과 전기적으로 연결되어 있다.
구체적으로, 제 1 전지셀(300)은 전극단자(310)가 형성되어 있는 변이 PCM(200)의 제 1 변(201)에 접한 상태에서, 전극단자(310)가 PCM(200)의 제 1 단자 접속부(210)에 접촉되어 연결되어 있다.
제 2 전지셀(400)은 일측 변이 PCM(200)의 제 2 변(202)에 접한 상태에서, 전극단자(410)가 형성되어 있는 변이 PCM(200)의 제 3 변(203)과 동일 선상에 위치하며, 제 2 전지셀(400)의 전극단자(410)는 PCM(200)의 제 3 변(203) 방향으로 연장되어 제 3 변(203)에 형성되어 있는 제 2 단자 접속부(220)에 접촉되어 연결된다.
제 2 전지셀(400)의 전극단자(410)는 양극단자(410a) 및 음극단자(410b)로 이루어져 있다. 양극단자(410a) 및 음극단자(410b)의 연장 구조는, 단자부(411a, 411b), 연장 접속부(412a, 412b) 및 접촉 연결부(413a, 413b)로 이루어져 있다.
단자부(411a, 411b)는 제 2 전지셀(400)로부터 돌출되어 있고, 연장 접속부(412a, 412b)는 단자부(411a, 411b)의 돌출 방향에 직교한 상태로 단자부(411a, 411b)로부터 PCM(200)의 제 3 변(203) 방향으로 연장되어 있으며, 접촉 연결부(413a, 413b)는 연장 접속부(412a, 412b)로부터 PCM(200) 쪽으로 연장되어 있고 제 2 단자 접속부(220)에 접촉하여 연결되어 있다.
양극단자(410a)의 연장 접속부(412a)와 음극단자(410b)의 연장 접속부(412b) 사이에는 절연부재(도시하지 않음)가 개재되어 있다.
PCM(200)에서 전지셀들(300, 400)이 접하지 않는 제 4 변(204)에는 커넥터(500)가 돌출된 형상으로 형성되어 있고, 커넥터(500)를 제외한 전지셀들(300, 400) 및 PCM(200)의 외면 전체가 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복되어 있다.
제 1 전지셀(300)과 제 2 전지셀(400)은 평면상에서 전극단자들(310, 410)이 형성되어 있는 변이 상대적으로 짧은 길이를 가지는 형상으로 이루어져 있고, PCM(200)의 제 1 변(201) 및 제 2 변(202)의 길이(L1, L2)는 각각 제 1 전지셀(300)의 전극단자(310)가 형성되어 있는 변의 길이(L3)와 동일하게 이루어져 있다.
PCM(200)의 제 2 변(202)의 길이(L2)는 제 2 변(202)에 접하는 제 2 전지셀(400)의 일측 변의 길이(L4)의 길이보다 상대적으로 짧게 형성되어 있다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 제조 방법의 흐름도가 도시되어 있다.
도 4를 도 1과 함께 참조하면, 전지팩(100)을 제조하기 위해서, 먼저, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고 일측 단부에 전극단자들(310, 410)이 형성되어 있는 2개의 전지셀들(300, 400)이, 보호회로 및 단자 접속부들(210, 220)이 형성되어 있는 PCM(200)을 사이에 두고 서로 이격된 위치에서, 전극단자들(310, 410)이 상호 직교하는 방향으로 전지셀들(300, 400)을 배열한다(S100).
다음, 전지셀들(300, 400)의 전극단자들(310, 410)과 PCM(200)의 단자 접속부들(210, 220)을 용접 내지 솔더링하여 결합한다(S200).
마지막으로, 결합된 전지셀들(300, 400) 및 PCM(200)을 금형 내에 위치시키고, 커넥터(500)를 제외한 전지셀들(300, 400) 및 PCM(200)의 외면 전체를 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복한다(S300).
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. 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 평면상에서 직사각형의 형상으로 이루어지며, 상대적으로 짧은 변의 일측 단부에 전극단자들이 형성되어 있는 제1 전지셀과 제2 전지셀;
    충방전의 전압 및 전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 인쇄회로기판(PCB), 및 상기 전지셀들의 전극단자들이 전기적으로 연결되도록 상기 PCB에 형성되어 있는 단자 접속부들을 포함하고 있는 보호회로 모듈(PCM);
    을 포함하고 있고,
    상기 PCM에는 그 제1 변에 제1 전지셀과 접속하는 제1 단자 접속부가 형성되고, 제1 변에서 연속되는 제2 변에 제2 전지셀과 접속하는 제2 단자 접속부가 형성되며,
    상기 제1, 제2 전지셀들은 상기 PCM을 사이에 두고 서로 이격된 상태로 전극단자들이 상호 직교하는 방향으로 배열되어, 상기 제1 전지셀은, 전극단자들이 형성되어 있는 변이 PCM의 제1 변에 접한 상태에서, 상기 전극단자들이 PCM의 제1 단자 접속부에 접촉되어 연결되고, 상기 제2 전지셀은, 일측 변이 PCM의 제1 변에 대향하는 제2 변에 접한 상태에서, 전극단자들이 형성되어 있는 변이 PCM의 제1 변 및 제2 변에 각각 접한 제3 변과 동일 선상에 위치하며,
    상기 제2 전지셀의 전극단자는, 전지셀로부터 돌출되어 있는 단자부; 상기 단자부의 돌출 방향에 직교한 상태로 단자부로부터 PCM의 제3 변 방향으로 연장되어 있는 연장 접속부; 및 상기 연장 접속부로부터 연장되어 있는 상기 PCM의 제3 변에 형성되어 있는 제2 단자 접속부에 접촉되어 연결되는 접촉 연결부들을 포함하여 구성되며,
    상기 전지셀들 및 PCM은 외면 전체가 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극단자들은 양극단자 및 음극단자로 이루어져 있고, 상기 양극단자 및 음극단자 각각의 연장 접속부들 사이에는 절연 부재가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM에서 전지셀들이 접하지 않는 제 4 변에는 커넥터가 돌출된 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 커넥터를 제외한 전지셀들 및 PCM의 외면 전체가 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM의 제 1 변 및 제 2 변의 길이는 각각 제 1 전지셀의 전극단자들이 형성되어 있는 변의 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM의 제 2 변의 길이는 상기 제 2 변에 접해있는 제 2 전지셀의 일측 변의 길이보다 상대적으로 짧은 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 수지는 고무 또는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 파우치형 전지 또는 각형 전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항 또는 제5항 내지 제 7항 중 어느 하나, 또는 제9항 내지 제13항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 하나 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  15. 제 14 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.
  16. 제 1 항 또는 제5항 내지 제7항 중 어느 하나, 또는 제9항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 제조하는 방법으로서,
    (a) 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고 평면상에서 직사각형의 형상으로 이루어지며, 상대적으로 짧은 변의 일측 단부에 전극단자들이 형성되어 있는 제1 전지셀과 제2 전지셀이, 보호회로 및 제1 변에 제1 전지셀과 접속하는 제1 단자 접속부가 형성되고, 제1 변에서 연속되는 제2 변에 제2 전지셀과 접속하는 제2 단자 접속부가 형성되어 있는 PCM을 사이에 두고 서로 이격된 위치에서, 상기 제1, 제2 전지셀의 전극단자들이 상호 직교하는 방향으로, 그리고 상기 제2 전지셀의 일측변이 PCM의 제1 변에 대향하는 제2 변에 접한 상태에서, 전극단자들이 형성되어 있는 변이 PCM의 제1 변 및 제2 변에 각각 접한 제3 변과 동일 선상에 위치하도록 상기 제1, 제2 전지셀과 PCM들을 배열하는 과정;
    (b) 상기 제1 전지셀의 전극단자와 상기 PCM의 제1 단자 접속부를, 그리고 상기 제2 전지셀의 전극단자의 연장 접속부로부터 연장되어 형성된 접촉 연결부와 상기 PCM의 제2 단자 접속부를 용접 내지 솔더링하여 결합하는 과정;
    (c) 결합된 전지셀들 및 PCM을 금형 내에 위치시키고, 전지셀들 및 PCM의 외면 전체를 인서트 사출 성형에 의해 수지로 피복하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 PCM에서 전지셀들이 접하지 않는 일측 변에는 커넥터가 돌출된 형상으로 형성되어 있고, 상기 인서트 사출 성형은 커넥터를 제외한 전지셀들 및 PCM의 외면 전체를 수지로 피복하는 것을 특징으로 하는 전지팩 제조 방법.
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