KR20180067323A - 보호 부재를 포함하고 있는 전지셀 - Google Patents

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KR20180067323A
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Abstract

본 발명은, 평면상 사각형 구조로 이루어져 있고, 일측 외주변으로 돌출된 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체를 수납하는 수납부를 포함하고 있고, 상기 전극조립체를 전해액과 함께 수납한 상태에서 밀봉하는 전지케이스; 및 상기 수납부 내에서, 전극조립체의 외면과 전지케이스의 내면 사이에 위치해 있으며, 평면상으로 상기 전극조립체의 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 외주변을 제외한 나머지 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 보호 부재;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

보호 부재를 포함하고 있는 전지셀 {Battery Cell Comprising Protection Member}
본 발명은 보호 부재를 포함하고 있는 전지셀에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 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.
특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 파우치형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 전지셀(100)은, 전극조립체(130), 전극조립체(130)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(131, 132), 전극 탭들(131, 132)에 용접되어 있는 전극리드들(140, 141), 및 전극조립체(130)를 수용하는 전지케이스(120)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(130)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(131, 132)은 전극조립체(130)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극 리드들(140, 141)은 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(131, 132)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(120)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극 리드들(140, 141)의 상하면 일부에는 전지케이스(120)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(150)이 부착되어 있다.
전지케이스(120)는 전극조립체(130)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(123)를 포함하는 케이스 본체(122)와 그러한 본체(122)에 일체로 연결되어 있는 덮개(121)로 이루어져 있고, 수납부(123)에 전극조립체(130)을 수납한 상태로 접촉부위인 양측부(124)와 상단부(125)를 결합시킴으로써 전지를 완성한다. 전지케이스(120)는 수지 외층/차단성의 금속층/열용융성 수지 실란트층의 알루미늄 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 덮개(121)와 본체(122)의 양측부(124) 및 상단부(125) 부위에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 결합시킨 밀봉 잉여부를 형성한다. 양측부(124)는 상하 전지케이스(120)의 동일한 수지층들이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(125)에는 전극 리드들(140, 141)이 돌출되어 있으므로 전극 리드들(140, 141)의 두께 및 전지케이스(120) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극 리드들(140, 141)과의 사이에 절연필름(150)을 개재한 상태에서 열융착시킨다.
일반적으로, 이러한 구조의 파우치형 전지셀은 충방전을 통한 활성화 과정 이후에, 상기 활성화 과정에서 발생한 가스를 전지케이스의 외부로 배출함으로써 제거하는 과정을 거쳐 제조된다.
이때, 상기 가스의 제거 과정에서는 전지케이스의 외면에 홀을 천공하고, 진공을 이용해 가스를 배출하게 되며, 이러한 과정에서, 상기 파우치형 전지케이스는 상대적으로 약한 강성으로 인해, 외면의 적어도 일 부위에서 형상의 변형이 발생함으로써 제품의 불량이 증가할 수 있다.
특히, 이러한 파우치형 전지케이스의 약한 강성으로 인해, 상기 전지셀은 침상 도체에 의한 충격과 같이, 외부로부터 인가되는 물리적 자극에 상대적으로 약할 수 밖에 없으며, 이에 따라, 상기 전지케이스가 내부의 전극조립체를 안전하게 보호할 수 없는 문제점이 있다.
즉, 파우치형 전지셀은 전지케이스 소재의 특성으로 인해, 형상의 변형이 용이하고, 무게가 가벼우며, 얇은 두께로 구성됨으로써 전지셀을 보다 콤팩트하게 구성할 수 있는 장점이 있는 반면에, 상기 전지셀의 제조 과정에서 발생하는 외면 형상의 변형으로 인해 불량이 발생하기 쉬우며, 외부로부터 인가되는 물리적 자극에 대해 전극조립체를 안전하게 보호할 수 없어, 구조적 안정성 및 안전성이 저하될 수 있는 문제점이 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.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전극조립체의 외주변을 감싸는 보호 부재를 포함하도록 구성됨으로써, 전지셀의 제조 과정, 보다 상세하게는, 가스 배출 과정에서 인가되는 진공으로 인해 발생하는 전지셀 외면 형상의 변형을 방지하고, 이에 따라 제품의 불량률을 감소시킬 수 있으며, 외부로부터 인가되는 물리적 자극에 대해, 전극조립체를 보다 안전하게 보호함으로써, 구조적 안정성을 향상시키는 동시에, 전극조립체의 손상에 따른 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있고, 상기 보호 부재의 특수한 구조에 따라, 전해액을 보유할 수 있는 공간을 확보함으로써, 상기 전해액 감소에 따른 성능 저하의 문제점을 예방할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
평면상 사각형 구조로 이루어져 있고, 일측 외주변으로 돌출된 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 전극조립체;
상기 전극조립체를 수납하는 수납부를 포함하고 있고, 상기 전극조립체를 전해액과 함께 수납한 상태에서 밀봉하는 전지케이스; 및
상기 수납부 내에서, 전극조립체의 외면과 전지케이스의 내면 사이에 위치해 있으며, 평면상으로 상기 전극조립체의 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 외주변을 제외한 나머지 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 보호 부재;
를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
따라서, 전지셀의 제조 과정, 보다 상세하게는, 가스 배출 과정에서 인가되는 진공으로 인해 발생하는 전지셀 외면 형상의 변형을 방지하고, 이에 따라 제품의 불량률을 감소시킬 수 있으며, 외부로부터 인가되는 물리적 자극에 대해, 전극조립체를 보다 안전하게 보호함으로써, 구조적 안정성을 향상시키는 동시에, 전극조립체의 손상에 따른 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 보호 부재는 전해액과의 반응성이 없는 금속 또는 고강도 플라스틱으로 이루어질 수 있으며, 보다 상세하게는, 스테인리스 스틸로 이루어질 수 있다.
그러나, 상기 보호 부재의 소재가 이에 한정되는 것은 아니며, 상세하게는, 상기 전지케이스의 수납부 내에서 전극조립체의 외주변을 보호할 수 있는 충분한 강도를 발휘하는 동시에, 전해액과의 반응성이 없어, 전지셀의 성능을 변화시키지 않는 것이라면, 취급의 용이성, 경제성, 무게와 같은 다양한 요소를 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
또한, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 파우치형 케이스일 수 있다.
즉, 상기 보호 부재는 파우치형 케이스와 같이 상대적으로 강성이 약한 전지케이스를 포함하는 전지셀에서, 보다 우수한 효과를 발휘할 수 있다.
한편, 상기 보호 부재는 전극조립체의 양극 단자 및 음극 단자에 대향하는 방향의 모서리 부위가 라운드(round) 구조로 이루어진 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 전극조립체는 평면상 사각형 구조로 이루어져 있는 반면에, 상기 보호 부재는 전극조립체의 양극 단자 및 음극 단자에 대향하는 방향의 모서리 부위가 라운드 구조로 이루어짐으로써, 상기 보호 부재는 라운드 구조로 이루어진 모서리 부위에서 전극조립체의 모서리 부위와 대면한 상태에서, 상기 전극조립체의 외주변으로부터 소정의 간격으로 이격된 구조로 위치할 수 있다.
따라서, 상기 전극조립체의 외주변과 보호 부재 사이의 이격된 공간은 전해액이 추가로 위치할 수 있는 공간을 제공함으로써, 상기 전해액의 감소에 따른 전지셀 성능 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.
이때, 상기 라운드 구조의 곡률 반경은, 전극조립체의 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 외주변을 제외한 나머지 외주변 중에서, 서로 대향하는 양측 외주변들 사이의 거리인 전극조립체의 폭을 기준으로, 5% 내지 30%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 라운드 구조의 곡률 반경이 상기 범위를 벗어나, 지나치게 작을 경우에는, 상기 보호 부재 모서리 부위의 라운드 구조에도 불구하고, 전극조립체의 외주변과 보호 부재 사이에 전해액이 추가로 위치할 수 있는 충분한 공간을 제공할 수 없어, 상기 라운드 구조에 따른 효과를 발휘하지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 라운드 구조의 곡률 반경이 상기 범위를 벗어나, 지나치게 클 경우에는, 상기 전극조립체의 외주변과 보호 부재 사이의 이격된 공간이 불필요하게 커질 수 있고, 결과적으로 상기 보호 부재의 크기가 증가함으로써, 동일한 크기의 전지셀에 비해 용량이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체의 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 외주변에 인접한 보호 부재의 양측 단부 부위들은, 평면상으로 상기 전극조립체 방향으로 절곡 및 연장되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 전극조립체는 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 외주변에 인접한 보호 부재의 양측 단부 부위들에 의해, 전지케이스 내에서의 유동이 최소화될 수 있으며, 이에 따라, 상기 전극조립체의 유동 과정에서 발생하는 양극 단자 및 음극 단자의 손상 및 이로 인한 내부 단락의 문제점을 예방할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 보호 부재의 양측 단부 부위들은 양극 단자 및 음극 단자의 돌출 방향에 평행인 직선에 대해, 1도 내지 90도의 각도로 절곡 및 연장되어 있는 구조일 수 있다.
만일, 상기 보호 부재의 양측 단부들이 양극 단자 및 음극 단자의 돌출 방향에 평행인 직선에 대해, 1도 미만의 각도로 절곡 및 연장되어 있는 경우에는, 상기 절곡 및 연장된 구조를 통해 소망하는 전극조립체 유동 방지의 효과를 발휘하지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 보호 부재의 양측 단부들이 양극 단자 및 음극 단자의 돌출 방향에 평행인 직선에 대해, 90도를 초과하는 각도로 절곡 및 연장되어 있는 경우에는, 상기 절곡 연장된 보호 부재의 양측 단부 부위들이, 전극조립체의 외주변에 직접 접촉함으로써, 내부 단락을 발생시키거나, 전극조립체를 손상시킬 수 있는 문제점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 절곡 및 연장된 보호 부재의 양측 단부 부위들은, 평면상으로 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 전극조립체의 외주변에 비해, 상대적으로 외측에 위치해 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 전극조립체는 절곡 및 연장된 보호 부재의 양측 단부 부위들에 의해 전극 단자들의 돌출 방향 및/또는 상기 전극단자들의 돌출 방향에 수직인 양측 방향으로의 유동이 보다 효과적으로 억제될 수 있다.
이때, 상기 보호 부재의 양측 단부 부위들은, 평면상으로 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 전극조립체 외주변의 양측 모서리들을 감싸도록, 2회 이상 절곡되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 전극조립체는 2회 이상 절곡되어 있는 보호 부재의 양측 단부 부위들에 의해 전지케이스 내에서 보다 안정적으로 고정 및 지지되어, 유동이 방지되므로, 상기 전극조립체의 유동에 따른 문제점을 예방할 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 보호 부재의 양측 단부 부위들은, 평면상으로 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 전극조립체 외주변의 양측 모서리들에 대응되는 길이로 절곡 및 연장되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 보호 부재의 양측 단부 부위들이, 평면상으로 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 전극조립체 외주변의 양측 모서리들에 비해 내측에 위치하는 경우, 상기 보호 부재의 양측 단부 부위들이 전극조립체의 외주변에 직접 접촉함으로써 발생할 수 있는 내부 단락 및 손상의 문제점을 방지할 수 있다.
한편, 상기 보호 부재의 수직 단면상 높이는 이에 대응되는 전극조립체의 두께에 대해, 50% 내지 99%의 크기로 이루어진 구조일 수 있다.
만일, 상기 보호 부재의 수직 단면상 높이가 이에 대응되는 전극조립체의 두께에 대해, 50% 미만의 크기로 이루어질 경우에는, 상기 보호 부재를 포함함에도 불구하고, 노출되는 전극조립체 외주변의 넓이가 넓어져, 상기 보호 부재를 통해 침상 도체에 의한 관통과 같은 외부의 물리적 자극으로부터 상기 전극조립체를 안전하게 보호하지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 보호 부재의 수직 단면상 높이가 이에 대응되는 전극조립체의 두께에 대해, 99%를 초과하는 크기로 이루어질 경우에는, 상기 보호 부재의 수직 단면상 높이가 이에 대응되는 전극조립체의 두께에 비해 커짐으로써, 전지케이스의 수납부 내에서 상기 전극조립체의 두께 방향에 불필요한 공간이 발생할 수 있고, 이로 인해 전지셀의 크기가 불필요하게 증가하거나, 동일한 크기의 전지셀에 비해, 전지셀의 용량이 감소할 수 있다.
또한, 상기 보호 부재의 폭 및 길이는 전극조립체의 폭 및 길이에 대해, 101% 내지 130%의 크기일 수 있다.
여기서, 상기 폭 및 길이의 용어는 평면상 전극 단자들의 돌출 방향에 수직 및 평행인 방향에서, 전극조립체의 서로 대향하는 외주변 사이의 거리를 나타낸다.
만일, 상기 보호 부재의 폭 및 길이가 전극조립체의 폭 및 길이에 대해, 101% 미만의 크기일 경우에는, 상기 보호 부재와 전극조립체의 외주변 사이의 공간이 좁아져, 전해액이 추가로 위치할 수 있는 충분한 공간이 발생하지 않으며, 이와 반대로, 상기 보호 부재의 폭 및 길이가 전극조립체의 폭 및 길이에 대해, 130%를 초과하는 크기일 경우에는, 상기 보호 부재의 크기가 지나치게 증가함으로써, 전지셀의 크기가 불필요하게 증가하거나, 동일한 크기의 전지셀에 비해, 전지셀의 용량이 감소할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 보호 부재의 두께는 500 마이크로미터 내지 2000 마이크로미터일 수 있다.
만일, 상기 보호 부재의 두께가 상기 범위를 벗어나, 지나치게 얇을 경우에는, 안정적인 강도를 발휘할 수 없으므로, 침상 부재에 의한 관통과 같은 외부의 물리적 자극으로부터 전극조립체를 안전하게 보호하지 못할 수 있다.
이와 반대로, 보호 부재의 두께가 상기 범위를 벗어나, 지나치게 두꺼울 경우에는, 소망하는 구조적 안정성에 비해, 상기 보호 부재의 두께가 불필요하게 두꺼운 경우로서, 전지셀의 크기가 불필요하게 증가하거나, 동일한 크기의 전지셀에 비해, 전지셀의 용량이 감소할 수 있다.
또한, 적어도 상기 전극조립체의 외면과 대면하는 보호 부재의 일면에는 전극조립체와의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 절연성 코팅층이 형성된 구조일 수 있다.
따라서, 상기 전극조립체가 보호 부재와 직접 접촉함으로써 발생할 수 있는 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 양극 시트, 음극 시트 및 상기 양극 시트와 음극 시트 사이에 개재되어 있는 분리막 시트가 적층된 상태에서, 일 방향으로 권취된 구조로 이루어질 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막이 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막이 적층된 구조로 이루어진 둘 이상의 단위셀이 분리막 시트 상에 위치한 상태에서, 일 방향으로 권취된 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 전지셀을 구성하는 전극조립체는 평면상 사각형 구조로 이루어져 있고, 양극 단자 및 음극 단자가 일측 외주변으로 돌출된 구조로 이루어질 수 있다면, 그 구조가 크게 제한되지 않으며, 상세하게는, 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택&폴딩형 구조로 이루어질 수 있다.
상기 구성 내지 구조를 제외한 전지셀의 나머지 구조는 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체의 외주변을 감싸는 보호 부재를 포함하도록 구성됨으로써, 전지셀의 제조 과정, 보다 상세하게는, 가스 배출 과정에서 인가되는 진공으로 인해 발생하는 전지셀 외면 형상의 변형을 방지하고, 이에 따라 제품의 불량률을 감소시킬 수 있으며, 외부로부터 인가되는 물리적 자극에 대해, 전극조립체를 보다 안전하게 보호함으로써, 구조적 안정성을 향상시키는 동시에, 전극조립체의 손상에 따른 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있고, 상기 보호 부재의 특수한 구조에 따라, 전해액을 보유할 수 있는 공간을 확보함으로써, 상기 전해액 감소에 따른 성능 저하의 문제점을 예방할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 파우치형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 2의 A-A'에 따른 전지셀의 수직 단면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 다양한 보호 부재 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지셀(200)은 전극조립체(210) 및 보호 부재(220)가 전지케이스(230)의 수납부(231) 내에 위치한 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(210)는 평면상 사각형 구조로 이루어져 있고, 상측 외주변(S1)으로 돌출된 양극 단자(211) 및 음극 단자(212)를 포함하고 있다.
전지케이스(230)는 전극조립체(210)를 수납하는 수납부(231)를 포함하고 있고, 전극조립체(210)를 전해액과 함께 수납한 상태에서 외주변(232)이 열융착에 의해 밀봉되어 있다.
전지케이스(230)의 열융착된 외주변(232)에 대응하는 양극 단자(211)와 음극 단자(212)의 상하면에는 밀봉성을 향상시킬 수 있도록, 보호 필름(213)이 부착되어 있다.
보호 부재(220)는 수납부(231) 내에서, 전극조립체(210)의 외면과 전지케이스(230)의 내면 사이에 위치해 있으며, 평면상으로 전극조립체(210)의 양극 단자(211) 및 음극 단자(212)가 돌출된 상측 외주변(S1)을 제외한 나머지 외주변들(S2, S3, S4)을 감싸는 구조로 이루어져 있다.
보호 부재(220)는 전극조립체(210)의 양극 단자(211) 및 음극 단자(212)에 대향하는 하측 외주변(S3) 방향의 양측 모서리 부위들(221, 222)이 라운드 구조로 이루어져 있다.
라운드 구조로 이루어진 보호 부재(220)의 모서리 부위들(221, 222)에 대응되는 전극조립체(210)의 모서리는 보호 부재(220)의 모서리 부위들(221, 222)에 각각 접해 있으며, 이에 따라, 전극조립체(210)의 외주변들(S2, S3, S4)과 보호 부재(220) 사이에는 전해액이 추가로 위치할 수 있는 공간이 형성된다.
전극조립체(210)의 양극 단자(211) 및 음극 단자(212)가 돌출된 상측 외주변(S1)에 인접한 보호 부재(220)의 양측 단부 부위들(223, 224)은, 전극조립체(210)의 상측 외주변(S1)에 비해, 상대적으로 외측에 위치해 있으며, 평면상으로 전극조립체(210)가 위치한 내측 방향으로 절곡 및 연장되어 있다.
따라서, 전극조립체(210)는 전지케이스(230)의 수납부(231) 내에서 보호 부재(220)의 라운드 구조로 이루어진 모서리 부위들(221, 222) 및 절곡 연장된 양측 단부 부위들(223, 224)에 의해 유동이 방지되므로, 전극조립체(210)의 유동에 의한 양극 단자(211) 및 음극 단자(212)의 손상을 방지할 수 있다.
도 3에는 도 2의 A-A'에 따른 전지셀의 수직 단면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 보호 부재(220)의 수직 단면상 높이(T1)는 이에 대응되는 전극조립체(210)의 두께(T2)에 대해, 약 80%의 크기로 이루어져 있다.
보호 부재(220)의 폭(W1)은 전극조립체(210)의 폭(W2)에 대해, 약 108%의 크기로 이루어져 있다.
전극조립체(210)의 외면과 대면하는 보호 부재(220)의 내면에는 전극조립체(210)와의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 절연성 코팅층(240)이 형성되어 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 다양한 보호 부재 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 보호 부재(520)의 단부 부위(523)는, 평면상으로 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 전극조립체(510)의 외주변(S5)에 비해, 상대적으로 외측에 위치한 상태에서, 전극조립체(510) 방향으로 90도의 각도로 절곡 및 연장(A)되어 있거나, 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 전극조립체(510)의 외주변(S5)의 모서리(511)를 감싸도록, 2회 이상 절곡(B)되어 있거나, 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 전극조립체(510)의 외주변(S5)의 모서리(511)에 대응되는 길이로 절곡 및 연장(C)되어 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
전지셀 제조
<실시예 1>
양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있고, 일측 외주변으로 양극 단자와 음극 단자가 돌출된 구조의 전극조립체를 전지케이스의 수납부에 장착하고, 상기 전극조립체의 양극 단자와 음극 단자가 돌출된 외주변을 제외한 나머지 외주변을 감싸도록, 스테인리스 스틸로 이루어진 보호 부재를 상기 전극조립체와 수납부 사이에 위치시켰다. 상기 전극조립체를 전해액에 함침시킨 상태로 전지케이스의 외주변을 밀봉해 1차 전지셀을 제조하고, 상기 1차 전지셀에 대한 충방전을 실시함으로써, 활성화 과정을 수행하였다. 상기 활성화 과정이 완료된 1차 전지셀의 전지케이스에 홀을 천공하여, 진공에 의해 내부에서 발생한 가스를 제거한 후, 상기 홀이 천공된 부위를 제거함으로써, 전지셀을 제조하였다.
<비교예 1>
보호 부재를 포함하지 않는 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 전지셀을 제조하였다.
<실험예 1>
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전지셀의 외면 중에서, 전극 단자들이 돌출된 부위를 제외한 나머지 부위에 대해, 상기 가스 제거 과정에서 인가되는 진공으로 인해 형상의 변형이 발생했는지 여부를 육안으로 확인하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
형상 변형 발생 유무
실시예 1 X
비교예 1 O
표 1에서 보이는 바와 같이, 보호 부재를 포함하는 실시예 1의 경우, 전극 단자들이 돌출된 부위를 제외한 전지셀의 나머지 부위에서 전지케이스의 외면 형상 변형이 발생하지 않은 반면에, 상기 보호 부재를 포함하지 않는 비교예 1의 경우, 전극 단자들이 돌출된 부위를 제외한 전극조립체의 나머지 부위에서 전지케이스의 외면 형상 변형이 발생하였음을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 전지셀의 제조 과정 중에서, 가스 제거 과정에서 진공이 인가되는 경우, 전극조립체의 외주변을 감싸는 보호 부재가 전지케이스의 수축 내지 변형을 방지함으로써, 제품의 불량률을 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 2>
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전지셀의 양극 단자 및 음극 단자를 외부 디바이스와 전기적으로 각각 연결한 상태에서, 상기 전지셀의 외면 중에서, 평면상으로 전극 단자들이 돌출된 외주변의 우측에 위치한 외주변에 대해, 침상 부재를 관통시킨 후, 내부 단락이 발생하는지 여부를 확인하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
내부 단락 발생 여부
실시예 1 X
비교예 1 O
표 1에서 보이는 바와 같이, 보호 부재를 포함하는 실시예 1의 경우, 침상 부재에 의한 관통 시, 내부 단락이 발생하지 않은 반면에, 상기 보호 부재를 포함하지 않는 비교예 1의 경우, 침상 부재에 의한 관통 시, 상기 침상 부재가 전극조립체와 직접 접촉함으로써, 내부 단락이 발생하였음을 확인할 수 있다.
따라서, 전지셀의 외주변에 대해, 침상 부재가 관통하는 경우, 전극조립체의 외주변을 감싸는 보호 부재가 상기 침상 부재와 전극조립체의 직접적인 접촉을 방지함으로써, 전지셀의 내부 단락 및 이로 인한 발화 내지 폭발의 위험을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 상기 전지셀의 구조적 안정성 및 안전성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이상 본 발명의 실시예 및 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 평면상 사각형 구조로 이루어져 있고, 일측 외주변으로 돌출된 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 전극조립체;
    상기 전극조립체를 수납하는 수납부를 포함하고 있고, 상기 전극조립체를 전해액과 함께 수납한 상태에서 밀봉하는 전지케이스; 및
    상기 수납부 내에서, 전극조립체의 외면과 전지케이스의 내면 사이에 위치해 있으며, 평면상으로 상기 전극조립체의 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 외주변을 제외한 나머지 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 보호 부재;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 부재는 전해액과의 반응성이 없는 금속 또는 고강도 플라스틱으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 보호 부재는 스테인리스 스틸로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 부재는 전극조립체의 양극 단자 및 음극 단자에 대향하는 방향의 모서리 부위가 라운드(round) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 라운드 구조의 곡률 반경은, 전극조립체의 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 외주변을 제외한 나머지 외주변 중에서, 서로 대향하는 양측 외주변들 사이의 거리인 전극조립체의 폭을 기준으로, 5% 내지 30%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 외주변에 인접한 보호 부재의 양측 단부 부위들은, 평면상으로 상기 전극조립체 방향으로 절곡 및 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 보호 부재의 양측 단부 부위들은 양극 단자 및 음극 단자의 돌출 방향에 평행인 직선에 대해, 1도 내지 90도의 각도로 절곡 및 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 절곡 및 연장된 보호 부재의 양측 단부 부위들은, 평면상으로 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 전극조립체의 외주변에 비해, 상대적으로 외측에 위치해 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 보호 부재의 양측 단부 부위들은, 평면상으로 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 전극조립체 외주변의 양측 모서리들을 감싸도록, 2회 이상 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 보호 부재의 양측 단부 부위들은, 평면상으로 양극 단자 및 음극 단자가 돌출된 전극조립체 외주변의 양측 모서리들에 대응되는 길이로 절곡 및 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 부재의 수직 단면상 높이는 이에 대응되는 전극조립체의 두께에 대해, 50% 내지 99%의 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 부재의 폭 및 길이는 전극조립체의 폭 및 길이에 대해, 101% 내지 130%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 부재의 두께는 500 마이크로미터 내지 2000 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 1 항에 있어서, 적어도 상기 전극조립체의 외면과 대면하는 보호 부재의 일면에는 전극조립체와의 접촉에 의한 단락을 방지하도록, 절연성 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 전지셀.
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