KR20010024859A - 배터리 단자 절연체 - Google Patents

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KR20010024859A
KR20010024859A KR1020007007777A KR20007007777A KR20010024859A KR 20010024859 A KR20010024859 A KR 20010024859A KR 1020007007777 A KR1020007007777 A KR 1020007007777A KR 20007007777 A KR20007007777 A KR 20007007777A KR 20010024859 A KR20010024859 A KR 20010024859A
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츄에스스코트
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로저스 에밀리 엠.
발렌스 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 목적은 단락에 큰 내성이 있는 배터리 파우치 또는 배터리 컨테이너를 제공하는 것이다. 이러한 전기적 보호는 박판의 컷 엣지를 물리적으로 제거하고 배터리 파우치에서 돌출한 전극 탭을 전기적으로 보호하는 것같이 패키징 박판을 접음으로써 이루어진다. 한 실시예에 있어서, 포일의 컷 엣지는 전극 탭에 떨어져서 접혀진다. 개선된 실시예에서, 박판의 패키징 재료는 상기 패키지를 통과하는 재료의 볼록한 탭을 포함한다. 볼록한 탭은 파우치 형태를 구부리거나 왜곡시키는 일이 없이 전극 탭에서 떨어져서 접혀진다. 대안의 실시예에서, 컷 엣지와 전극 탭사이에는 절연 재료인 개입층이 위치한다.

Description

배터리 단자 절연체{BATTERY TERMINAL INSULATION}
중합체 매트릭스 리튬 이온 셀은 가장 최근에 시판되고 있는 배터리 셀이다. 이 배터리의 생산 과정에서, 기능적으로, "활성화된" 배터리 시스템을 제조하기 위해 전해질 염용액(전해질 염과 전해질 용매)은 중합체 매트릭스 구조로 흡수된다. 배터리 구조는 중합체 매트릭스로 형성되기 때문에, 전해질 염용액은 배터리 구조 전체에 꽉 들어차 있다. 액체 전해질 역시 주로 배터리의 경계를 넘어 연장하여 배터리 패키징을 꽉 채우던지 부분적으로 채운다. 패키징 재료로서 가열 밀봉이 가능한 박판을 사용하는 것이 보통이다.
리튬 이온 배터리 패키징은 합성수지로 형성될 수도 있고, 또는 파우치(pouch)형으로 될 수도 있다. 합성수지 형성형 및 파우치형 패키지 구조는 모두 일반적으로 가열 밀봉된다. 파우치형 구조는 도 1에 도시된다. 박판 중합체 매트릭스 배터리 구조(110)는 파우치를 형성하는 가열 밀봉된 박판 층(112a, 112b) 사이를 둘러싼다. 파우치는 전극 탭(114)이 다른 방식으로 둘러싸인 파우치로부터 연장하는 것을 가능하게 하면서 전극 탭(114) 둘레에 밀봉된다. 이렇게 됨으로써 전극 탭(114)을 통한 배터리의 사용 및 배터리와의 전기적 접촉이 가능해 진다. 전술한 바와 같이, 전해질(116)은 또한 파우치 내부에 있을 수 있다.
배터리 패키징 재료는 배터리 제조업자 및 특정 용도에 따라 바뀔 수 있다. 종래 기술에 속하는 통상적인 패키징 박판(212a, 212b)이 도 2에 도시된다. 이것은 도 1의 부분(a-a)을 자세히 나타낸 것으로, 금속 포일층(220)의 각 측면의 박판(212a, 212b)을 나타낸다. 이것은 두 층의 박판(112a, 112b)을 나타내는데, 박판은 전극 탭(214)이 파우치의 경계를 넘어 연장되게 허용하면서 배터리 파우치를 둘러싸기 위해 가열 밀봉된다.
박판 재료(212a,b)는 포일층(220)을 포함한다. 포일층은 대개 박판 내부에서 중앙에 위치한다. 포일층의 한 표면에는 내부 박판 영역(213)이 존재한다. 포일층의 대향 표면에 외부 박판(222)이 존재한다. 외부 박판층(222)은 물리적인 패키지 보호를 위해, 패키지 전기 절연체로 쓰여, 패키지 마킹 또는 레이블링을 위해 제공된다.
포일층(220)은 배터리 패키지로의 산소 및 습기 침투에 대한 장벽으로서의 역할을 한다. 포일층은 또한 패키지에 강도를 제공하여, 만약 패키지가 특정 형태로 미리 형성된다면 구조적인 지지부를 제공한다. 그러나, 금속 포일층(220)은 전해질의 리튬 이온(Li+)과 반응할 수 있다. 전해질과 비반응적으로 설계된, 내부층(213)이 포일층과 패키지 사이에 제공된다. 내부 박판 영역(213)은 배터리 저장 및 배터리 사용 동안 둘러싸인 전해질 염용액에서 활성화되지 않아야 한다.
금속성 포일 및 패키지 내부 사이에 위치한, 내부 박판 영역(213)은 몇개의 역할을 한다. 내부 박막 영역은 금속 포일과 전해질 염용액 사이에 물리적인 장벽을 제공하고, 밀봉시, 금속 포일 및 전극 탭 사이에 비전도성 장벽을 제공하고, 패키지 단락을 사전에 막고, 패키지의 합성수지 형성시 도움을 주고, 자체 밀봉 결합을 제공한다. 패키지 박판의 두 층은 서로 접하는 내부 박판과 함께 위치할 수 있다. 적절한 열과 압력이 가해질 경우, 가열 밀봉 결합이 이루어진다.
내부 박판 영역(213)은 대개 나일론과 같은 폴리아미드(224)층과 열 용융성 밀봉층(226)을 포함한다. 도시되지는 않았지만 있을 수 있는 다른 층들은 타이층(tie layer)(층들을 부착하는 역할을 함)을 포함하거나, 박판 재료나 파우치의 형성 또는 지속 기간을 촉진하는 층들을 포함한다.
폴리아미드층(224)은 금속성 포일층(220) 및 가열 밀봉 가능 층(226) 사이에 위치한다. 폴리아미드층은 절연층으로서 역할하며, 배터리 전극 탭의 몸체를 금속성 포일층의 몸체로부터 전기적으로 절연시킨다. 전극 탭과 패키지 포일층의 이러한 분리는 배터리 탭의 몸체 및 박판 패키지의 몸체 사이에 전기적인 단락을 막는다.
본 발명은 패키지형 배터리 어셈블리의 제작에 관한 것으로, 더욱 상세히 말하자면 박판 리튬 이온 배터리를 패키징하는 것에 관한 것이다. 개선된 박판 패키지가 개시된다.
도 1은 종래 기술의 배터리 파우치 패키지의 단면도.
도 2는 도 1의 선(a-a)을 따라 절단해서 본, 배터리 파우치의 단면도.
도 3은 전극 탭에서 접힌 엣지를 구비한 본 발명의 배터리 파우치의 단면도.
도 4는 도 3의 선(b-b)에 따라 절단해서 본, 본 발명의 배터리 파우치의 단면도.
도 5a는 각각의 전극 탭에서 볼록한 돌출부를 갖는 배터리 파우치의 평면도.
도 5b는 전극 탭으로부터 컷팅 엣지를 막기 위해 오목한 돌출부가 후방으로 접힌 상태의 도 5a의 배터리 파우치의 평면도.
도 6은 파우치 박판의 컷팅 엣지를 보이지 않게 하기 위해 전기적으로 비전도성 재료를 사용한, 본 발명의 배터리 파우치의 또 다른 단면도.
도시된 도면은 단지 본 발명의 예증이며, 실측으로 도시되지 않고 과정되게 도시되고 있다.
불행히, 가열 밀봉 또는 다른 기계적 방법 또는 화학적 처리 공정에 의해 파우치가 형성되기 이전이나 이후에, 파우치 재료는 대개 재료를 사이즈 대로 커팅함으로서 이루어지고, 이러한 컷팅 공정은 박판 재료에 노출된 컷 엣지(211)를 남긴다. 전극 탭(214)은 금속층(220)을 포함하는 컷 엣지(211)에 바로 인접한다. 외부에서 발생된 파편으로 금속층(220)과 전극 탭(214) 사이에 단락이 쉽게 발생한다.
만약 박판의 엣지(211)가 전극 탭(214)을 향해 뒤틀린다면 배터리와 패키징사이에서도 역시 단락이 발생할 수 있다. 박판(컷 엣지(211)에서 노출됨)의 금속층이 전극 탭(214)에서 닿는 것도 배터리 단락을 유발시킬 수 있다. 배터리 패키지의 컷 엣지와 둘러싸인 배터리 패키지 사이의 단락에 대한 가능성은 종래 기술에 의해 인식되지 않거나 언급되지 않았다.
본 발명은 단락에 대해 큰 내성이 있는 박판 시트에서 생성되는, 배터리 파우치 또는 컨터이너를 제공한다. 이러한 전기적인 보호는 배터리 파우치로부터 돌출하는 전극 탭으로부터 박판의 컷 엣지를 물리적으로 제거하여 보호하는 것처럼 패키징 박판을 접음으로 달성된다. 한 실시예에서, 포일의 컷 엣지는 전극 탭으로부터 떨어져서 접혀진다. 이렇게 접혀 컷 엣지 이외의 각각의 전극 탭에 인접한 박판의 절연층을 제공한다. 양호한 실시예에 있어서, 박판 패키징 재료는 전극이 패키지를 통과하는 재료의 볼록한 플랩을 포함한다. 볼록한 플랩은 파우치 형태를 구부리거나 훼손시키지 않고 전극 탭에서 떨어져서 접혀진다.
대안의 실시예에 있어서, 절연 재료가 개입하는 층은 컷 엣지와 전극 탭 사이에 위치한다. 편리하게, 절연 재료층은 전극 탭에서 파우치 박판의 컷 엣지를 보이지 않게 하는 비전도성 테이프 또는 컷 엣지에 인접한 전극 탭을 덮는 비전도성 테이프이다.
통상적인 박판 리튬 이온 셀 배터리는 리튬 삽입 화합물의 애노드와 전기 화학적 활성 재료를 포함하는 캐소드와 유기 용매에서 용해되지 않는 무기 리튬 염 등의 전해질 염 및 용매로부터 준비된 전해질과 이격판 구조 또눈 전해질 박막층을 포함한다. 각 고체 배터리의 구성요소는 중합체 매트릭스 구조로 형성된다. 기술적으로 잘 알려진 이러한 배터리와 그 예는 미국 특허 제4,997,732호와 제4,207,389호 및 제5,456,000호에 설명되어 있다.
박판 리튬 이온 셀은 패키징을 통해 배터리로부터 패키징 외부로 연장되는 전극 탭을 적어도 하나, 일반적으로는 두 개 이상 포함한다. 전극 탭은 패키지형 배터리를 충전하고 방전하는 경로를 제공한다. 전극 탭은 기술적으로 잘 알려져 있다.
통상적인 박판 시트는 두 개의 면과 네 개의 엣지를 갖는다. 각각의 면은 박판층의 축에 평행하게, 박판층에 의해 형성된다. "외면"은 대개 보호을 위한 절연성의 면이고, 상업상 또는 제작상의 데이터가 인쇄되어 있다. 외면은 박판 시트가 배터리 패키지 또는 파우치 내부에 형성될 때 노출된다. 외면은 외부 박판의 최외측 표면으로 형성된다. "내면"은 대개 절연성의 면이고, 패키지 또는 파우치를 밀봉하기 위해 열적, 기계적 또는 다른 수단을 이용하여 가공될 수 있다. 내면은 가장 가깝게 둘러싸인 배터리, 즉 배터리 패키지의 내부 표면을 제공한다. 내부 페이스는 내부 절연 영역의 최내측 표면으로 규정된다.
금속성 포일은 내면과 외면을 형성하는 층 사이에 위치한다. 포일층은 배터리 패키지 내부로 침투하는 습기 및 산소에 대한 장벽으로 역할한다. 포일층은 또한 패키지에 대한 강도를 제공하여, 만약 패키지가 특정 형태로 미리 형성된다면 구조적 지지부를 제공한다. 포일층은 대개 유연하므로, 프레스 몰딩(press-molding)으로 형성될 수 있다. 적합한 포일은 패키징 기술로 알려진, 소립자의 알류미늄 포일과 같은 "소프트" 금속을 포함한다. 이러한 금속층은 전해질에서 리튬에 의한 손상에 대해 내성이 있는 반면, 그것이 전극 탭으로 된 접촉에서 발생된다면 배터리 외부를 단락시킬 수 있다.
"엣지"(통상적으로 네 개지만, 그 수는 요망하는 대로 변할 수 있다)는 대개 두 개의 면에 대해 수직적이다. 엣지는 더 큰 시트를 컷팅함으로써, 박판의 제작 기간 동안의 제작 또는 유사한 처리과정에 의해 형성될 수 있다. 엣지는 박판의 축에 대해 수직적이고, 층의 둘레를 규정한다. 여기에서 사용되는 용어인, "컷 엣지"는 각각의 내부 박판 영역과 금속성 포일층의 둘레의 최소의 부분이 노출된 것이다. 컷 엣지는 컷팅에 의해 알맞게 형성될 수 있지만, 또한 다양한 물리적 수단에 의해 박판의 제작 또는 구성에 있서 엣지로 형성될 수도 있다.
본 발명은 물리적 그리고 전기적 분리로써, 전극 탭으로부터 배터리 패키지의 컷 엣지를 분리하는 수단 및 방법을 제공한다.
도 3에 도시된, 본 발명의 한 실시예에 있어서, 박판 패키징 재료(312)는 둘레 근처에서 접혀진다. 이러한 접혀짐에 의해 컷 엣지(311)를 더이상 전극 탭(314)에 인접되지 않게 한다. 대개, 박판(312)은 자체에서 후방으로 겹쳐진다.
도 4는 도 3의 선(b-b)을 절단해서 본 단면도이다. 전극 탭(114)은 배터리 파우치를 형성하는 두 개의 박판 시트(412, 도면에서는 그 중 한 개만 도시함) 사이에 연장된다. 파우치 재료의 일반적 축에 평행한 박판 시트(412)에서 컷 엣지(411)는 후방으로 겹쳐지게 접혀진다. 접힌 내부의 박판 영역(413)은 전극 탭(414)으로부터 박판 시트(412)의 컷 엣지(411) 및 포일층(420)을 보호하기 위해 형성된다. 이 접혀진 것들은 모두 컷 엣지(411)와 전극 탭(414) 사이에 절연 재료를 두고, 컷 엣지(411)를 전극 탭(414)으로부터 떨어지게 위치시킨다.
도 5a는 볼록한 플랩(515) 또는 엣지가 전극 탭(514)에 인접한 박판 파우치 재료(512)에서 형성된다는 점에서, 양호한 파우치 전구체를 도시한다. 컷 엣지(511)는 전체 파우치의 둘레를 따라 연장한다.
도 5b는 각각의 볼록한 플랩(515)이 파우치 재료(512)의 몸체상에 후방으로 접혀지는 도 5a의 파우치를 도시한다. 파우치는 전극 탭(514)에 가장 가까운 컷 엣지(511)를 가지고 있지 않는다. 볼록한 엣지를 접는 것이 직선 엣지를 접는 것보다 파우치 밀봉을 누르는게 적기 때문에 이 실시예는 양호하다.
도 6에 있어서 대안의 실시예가 도시된다. 절연 테이프 또는 미리 형성된 클래핑 구조 같은 절연 재료(625)가 컷 엣지(511)를 보이지 않게 하기 위해 위치한다. 절연 재료(625)는 전극 탭(614)로부터 금속 포일층(620)을 전기적, 물리적으로 절연하는 역할을 한다.
또 다른 실시예(도시되지 않음)는 전극 탭상에 직접 위치하고 전극 탭과 컷 엣지 사이에 삽입되는 절연 테이프를 사용한다.
본 발명은 여러가지 예시적인 실시예로 된 관계에서 설명되어, 당업자들은 이상의 설명에서 다양한 개선이 가능하다고 이해할 것이다. 다음의 청구항을 참조하여 본 발명의 청구 범위가 결정될 것이다.

Claims (9)

  1. 배터리 패키지에 있어서,
    (a) 적어도 하나의 돌출한 전극 탭을 구비한 배터리와;
    (b) 중앙 금속 포일을 포함하며, 상기 전극 탭 부근에 컷 엣지를 갖는 박판 파우치 재료로부터 형성되어 상기 배터리를 둘러싸고, 상기 전극 탭을 부분적으로 둘러싸는 파우치와;
    (c) 상기 전극 탭으로부터 상기 컷 엣지를 분리하는 수단을 포함하는 배터리 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극 탭으로부터 상기 컷 엣지를 분리하는 수단은 그 사이에 개입하는 비전도성 재료인 것을 특징으로 하는 배터리 패키지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비전도성 재료는 상기 전극 탭에 인접한 박판 파우치의 컷 엣지를 덮는 테이프인 것을 특징으로 하는 배터리 패키지.
  4. 제2항에 있어서, 상기 비전도성 재료는 상기 박판 파우치의 컷 엣지에 인접한 전극 탭을 덮는 테이프인 것을 특징으로 하는 배터리 패키지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극 탭으로부터 상기 박판을 분리하는 수단은 박판 재료의 엣지가 발생되어 전극 탭에서 먼 부위에 놓여지게 박판 재료에서 접혀진 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 패키지.
  6. 제5항에 있어서, 볼록한 엣지는 상기 컷 엣지에 인접한 박판 재료에 존재하고, 상기 볼록한 엣지는 전극 탭으로부터 상기 컷 엣지를 제거하기 위해 후방으로 접히는 것을 특징으로 하는 배터리 패키지.
  7. 배터리 패키징에 유용한 파우치를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 돌출한 적어도 하나의 전극 탭을 구비한 배터리를 제공하는 단계와;
    (b) 중앙 금속 포일을 포함하며 적어도 하나의 컷 엣지를 포함하는 박판 파우치 재료로 형성되어, 상기 배터리를 둘러싸고, 상기 전극 탭을 부분적으로 둘러싸는 파우치를 형성하는 단계와;
    (c) 상기 전극 탭으로부터 상기 컷 엣지를 분리하는 수단을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치 제조 방법,
  8. 제7항에 있어서, 상기 전극 탭으로부터 상기 컷 엣지를 분리하는 수단을 제공하는 단계는 전극 탭으로부터 컷 엣지를 물리적으로 분리하기 위해 박판 파우치의 부분을 접는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 전극 탭으로부터 상기 컷 엣지를 분리하는 수단을 제공하는 단계는 박판 파우치의 컷 엣지와 전극 탭 사이에 전기적으로 절연 재료를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치 제조 방법.
KR1020007007777A 1998-01-20 1999-01-19 배터리 단자 절연체 KR20010024859A (ko)

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