KR20210103089A - 무용접 방식으로 고정이 가능한 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무용접 방식으로 고정이 가능한 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 셀 케이스(100) 내부에 전극 조립체가 수납되고, 양극 리드(210)와 음극 리드(220)로 이루어진 한 쌍의 전극 리드(200)가 셀 케이스(100) 외측의 동일한 방향으로 돌출하는 전지 셀에서, 상기 양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 소정 각도로 절곡된 제1 굴곡부와 직선부가 함께 구비된 것을 특징으로 하는 전지 셀, 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.

Description

무용접 방식으로 고정이 가능한 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩{Battery Cell Without Welding Process and Battery Pack Having The Same}

본 발명은 무용접 방식으로 고정이 가능한 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인근하는 전극 리드들이 서로 면접촉하면서 밀착되어 버스 바와 용접 공정을 생략할 수 있는 무용접 방식으로 고정이 가능한 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.

휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등에 적용되고 있어, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 갈수록 높아지고 있는 상황이다.

현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전률이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

한편, 위와 같은 이차 전지가 전기자동차 등과 같이 대용량 및 고전압을 필요로 하는 디바이스에 사용될 시에는, 다수의 전지셀들이 배열된 구조의 전지 모듈 내지 전지 팩 등의 형태로 사용된다.

즉, 도 1(a)는 종래 기술에 따른 전지 셀의 정면도, (b)는 측면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 전지셀 스택의 분해사시도이다.

종래의 전지 셀(10)은 전극 조립체에서 연장된 평판 구조의 리드(11, 12)가 셀 케이스(13) 외측으로 돌출해 있고, 이들 전지 셀(10)들은 용량과 출력을 향상을 위해 직렬 및 병렬로 연결된다.

이때, 전지 셀(10)들 간의 전기적 연결을 위해서 버스 바(미도시)가 이용되며, 버스 바와 전지 셀(10)의 밴딩된 리드(11, 12)들은 전기가 통하는 금속이기 때문에 통상 용접하는 방법으로 연결하고 있다.

하지만 용접부에 관한 신뢰성을 확보하기 위해서는 리드들과 버스 바의 위치와 용접 조건 등 제약이 많고, 게다가 버스 바가 추가로 구비되어야 함으로 배터리 팩의 에너지밀도가 낮아질 수밖에 없는 상황이다.

한편 한국공개특허 제2017-0037157호에는 파우치 케이스 실링부의 일 단부로부터 연장된 양극 리드; 및 상기 파우치 케이스 실링부의 타 단부로부터 연장되어, 양극 리드와 반대 방향으로 연장된 음극 리드;를 포함하고, 상기 양극 리드와 음극 리드 중 하나의 리드가 파우치 케이스 상면을 향해 후방 절곡되어 있고 다른 리드가 파우치 케이스 하면을 향해 후방 절곡되어 있는 파우치형 이차전지가 개시되어 있다.

상기 선행문헌에 의하면, 파우치형 이차전지를 포함하는 전지 모듈 및/또는 전지 팩은 리드 연결을 위한 공간을 별도로 필요로 하지 않는다는 장점은 있으나, 리드들이 케이스와 밀착되는 구조이어서 쇼트가 발생할 가능성이 매우 높다는 문제점이 있다.

한국공개특허 제2017-0037157호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전극리드들을 전기적으로 연결함에 있어 버스 바와 용접 공정을 생략할 수 있는 무용접 방식으로 고정이 가능한 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한, 본 발명에 따른 전지 셀은, 셀 케이스(100) 내부에 전극 조립체가 수납되고, 양극 리드(210)와 음극 리드(220)로 이루어진 한 쌍의 전극 리드(200)가 셀 케이스(100) 외측의 동일한 방향으로 돌출하는 전지 셀에서, 상기 양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 소정 각도로 절곡된 제1 굴곡부와 직선부가 함께 구비된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 셀에서, 상기 양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 서로 반대 방향으로 절곡된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 셀에서, 상기 양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 소정 각도로 절곡된 제1 굴곡부, 직선부 및 제2 굴곡부가 순차적으로 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 셀에서, 상기 제2 굴곡부는 파형이 반복되는 패턴으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 셀에서, 상기 직선부는 상기 셀 케이스(100)의 전면 또는 후면과 평행하게 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 셀에서, 상기 직선부는 상기 셀 케이스(100)의 전면 또는 후면과 점진적으로 이격될 수 있도록 소정 각도로 경사지게 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 스택은, 전술한 전지 셀이 복수개 적층된 것으로, 서로 인근하는 양극 리드(210)와 음극 리드(220)가 면접촉하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 스택은, 상기 양극 리드(210)와 음극 리드(220)의 직선부가 면접촉하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 스택은, 상기 양극 리드(210)와 음극 리드(220)의 직선부 및 제2 굴곡부가 면접촉하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 스택은, 상기 양극 리드(210)와 음극 리드(220)의 면접촉 부위에는 용접부가 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 스택은, 상기 복수개의 전지 셀은 직렬로 연결된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 하는 전지 팩은, 전술한 전지 스택을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩에 의하면, 전지 셀의 리드들이 제1 굴곡부와 소정 각도로 경사진 직선부를 포함하고 있어, 복수개의 전지 셀이 적층될 시 전극 리드들이 면접촉하면서 밀착되므로 리드들을 연결 및 고정하기 위한 버스 바와 용접공정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩에 의하면, 전지 셀의 리드에는 파형이 반복되는 패턴인 제2 절곡부가 추가로 구비되어 있어, 리드들의 상하 또는 좌우로의 움직임을 억제하므로 한층 안정된 밀착력을 제공할 수 있다는 이점이 있다.

게다가 본 발명에 따른 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩에 의하면, 버스 바와 용접공정 생략에 따른 제조비용 절감과 에너지밀도 향상에 기여할 수 있다는 장점이 있다.

도 1(a)는 종래 기술에 따른 전지 셀의 정면도이고, (b)는 측면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전지셀 스택의 분해사시도이다.
도 3(a)는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 셀의 사시도, (b)는 전지 셀의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 셀이 복수개 적층된 전지셀 스택의 측면도이다.
도 5(a)는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전지 셀의 사시도, (b)는 전지 셀의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전지 셀이 복수개 적층된 전지 셀 스택의 측면도이다.
도 7(a)는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 전지 셀의 사시도, (b)는 전지 셀의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 전지 셀이 복수개 적층된 전지 셀 스택의 측면도이다.

본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 무용접 방식으로 고정이 가능한 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 팩에 관하여 첨부한 도면을 참조하면서 설명하기로 한다.

도 3(a)는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 셀의 사시도, (b)는 전지 셀의 측면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 셀은 셀 케이스(100), 전극 조립체(미도시) 및 전극 리드(200)를 포함하여 구성된다.

전지 셀을 구성하는 전극 조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 단위셀들로 구성되는 스택형 조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 조립체, 또는 단위셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 조립체 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한하지 않는다.

셀 케이스(100)는 통상적으로 내부층/금속층/외부층의 라미네이트 시트 구조로 이루어져 있다. 내부층은 전극 조립체와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해액성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다. 이러한 내부층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내화학성이 뛰어난 폴리프로필렌이 가장 바람직하다.

내부층과 접하고 있는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 전지 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 막막을 사용할 수 있다.

그리고 금속층의 타측면에는 외부층이 구비되며, 이러한 외부층은 전극 조립체를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록 인장강도, 투습방지성 및 공기투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.

전극 리드(200)는 한 쌍의 전극 리드, 즉 양극 리드(210)와 음극 리드(220)로 이루어지며, 전극 리드(200)는 전극 조립체의 양극 탭과 음극 탭이 각각 전기적으로 연결된 후 셀 케이스(100) 외부로 노출되는 구조로 이루어질 수 있고, 양극 탭과 음극 탭 없이 양극 리드(210)와 음극 리드(220)가 직접 전극조립체와 연결되는 구조일 수도 있다.

한편, 양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 셀 케이스(100) 외측으로 동일한 방향으로 돌출하는 것이 바람직하고, 양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 서로 반대 방향으로 절곡되는 것이 보다 바람직하다.

통상 한 쌍의 리드는 일방향 또는 양방향으로 돌출하는데 반해, 본 발명에서는 인근하는 양극 리드(210)와 음극 리드(220)가 서로 면접촉하여 서로 지지될 수 있도록 일방향으로 돌출함과 동시에 각 리드는 서로 반대 방향으로 절곡된다.

구체적으로, 양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 제1 굴곡부(211, 221)와 직선부(212, 222)가 동시에 마련되는데, 제1 굴곡부(211, 221)는 소정의 곡률반경으로 절곡되어 있으며, 일측은 전극조립체와 직간접적으로 연결되고 타측은 직선부(212, 222)와 이어져 있다.

여기서, 직선부(212, 222)는 셀 케이스(100)의 전면 또는 후면과 평행하게 위치하는 것이 바람직하고, 셀 케이스(100)의 리드가 돌출하지 않은 반대면인 아래(Y축 방향)로 갈수록 셀 케이스(100)의 전면 또는 후면으로부터 조금씩 멀어질 수 있도록 경사지게 위치하는 것이 보다 바람직하고, 이와 관련한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

한편, 양극 리드(210)와 음극 리드(220)를 설명하면서 제1 굴곡부(211, 221)와 직선부(212, 222)를 구분하여 설명하였을 뿐, 각 리드는 하나의 평판으로 절단한 후 제1 굴곡부(211, 221)를 절곡함으로써 얻어질 수 있다.

양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 직선부(212, 222)의 말단부가 셀 케이스(100)에 닿지 않은 정도인 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 셀이 복수개 적층된 전지 셀 스택의 측면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이 전술한 구성을 갖는 복수개의 전지 셀을 수직하게 나란하게 배치시킬 경우, 인근하는 양극 리드(210)와 음극 리드(220)의 각 직선부(212, 222)들이 서로 면접촉하면서 밀착하게 된다.

특히 전지 셀의 각 직선부(212, 222)가 소정의 각도를 갖도록 약간 경사지게 위치할 경우에는 밀착력이 더욱 향상될 수 있다.

따라서 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결함에 있어 버스 바가 필요하지 않고 게다가 용접공정을 생략할 수 있어 제조비용 절감과 전체적인 무게를 줄일 수 있다.

한편, 전지 셀 스택을 구성하는 복수개의 전지 셀들 중에서, 양측 가장 외측에 위치하는 전지 셀의 양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 제1 굴곡부(211, 221)와 직선부(212, 222)로 이루어져도 무방하지만, 배터리 팩의 연결단자(미도시) 위치나 형상에 따라 직선부만으로 이루어지거나, 또는 소정 각도로 절곡된 형상일 수 있다.

비록 도 4에서는 양극 리드(210)와 음극 리드(220)가 위를 향하도록 전지 셀들이 수직하게 위치하는 것으로 도시하고 있으나 이는 일예시에 불과할 뿐, 리드들이 오른쪽 또는 왼쪽을 향하도록 시계방향으로 회전하거나, 또는 전지 셀들이 수평하게 적층되어 전지 셀 스택을 구성할 수 있음은 자명하다.

셀 케이스(100)들이 도면에서와 같이 소정거리 이격된 상태로 배치되거나, 또는 도면과는 달리 각 셀 케이스(100)들이 서로 밀착한 채로 적층될 수 있음은 자명하다.

도 5(a)는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전지 셀의 사시도, (b)는 전지 셀의 측면도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전지 셀이 복수개 적층된 전지 셀 스택의 측면도이다.

제1 실시예와는 양극 리드(210)와 음극 리드(220)의 구성만 상이하고 나머지 구성은 동일하므로, 이하에서는 이들 양극 리드(210)와 음극 리드(220)에 관해서만 설명하기로 한다.

제2 실시예에서의 양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 제1 굴곡부(211, 221), 직선부(212, 222) 및 제2 굴곡부(213, 223)가 순차적으로 위치하고 있다.

특히 추가적으로 구비된 제2 굴곡부(213, 223)는 파형이 반복되는 패턴으로 형성되어 있어, 상호 밀착한 양극 리드(210)와 음극 리드(220)가 상하 또는 좌우로의 움직임을 제한할 수 있어 한층 안정된 밀착력을 제공할 수 있다.

즉, 도 6에서와 같이 전지 셀들이 수직하게 적층된 경우에는 상하로의 움직임을 억제할 수 있고, 리드들이 오른쪽 또는 왼쪽을 향하도록 회전된 상태로 적층될 시에는 좌우로의 움직임을 최소화할 수 있다.

도 7(a)는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 전지 셀의 사시도, (b)는 전지 셀의 측면도이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 전지 셀이 복수개 적층된 전지 셀 스택의 측면도이다.

제2 실시예와는 양극 리드(210)와 음극 리드(220)의 구성만 상이하고 나머지 구성은 동일하므로, 이하에서는 이들 양극 리드(210)와 음극 리드(220)에 관해서만 설명하기로 한다.

제3 실시예에서의 양극 리드(210)와 음극 리드(220)는 제1 굴곡부(211, 221)와 제2 굴곡부(213, 223)가 순차적으로 위치한다.

직선부를 생략한 채, 파형이 반복되는 패턴인 제2 굴곡부(213, 223)가 구비되면 밀착력은 그대로 유지한 채 밀착한 리드들의 움직임을 최소화할 수 있고, 게다가 밀착면이 상대적으로 증가하여 저항을 낮출 수 있다는 장점이 있다.

물론 제1 실시예에서의 직선부와 마찬가지로 제2 굴곡부(213, 223)도 셀 케이스(100)의 전면 또는 후면과 평행하게 위치하거나, 셀 케이스(100)의 리드가 돌출하지 않은 반대면인 아래(Y축 방향)로 갈수록 셀 케이스(100)의 전면 또는 후면으로부터 조금씩 멀어질 수 있도록 경사지게 위치해야 한다.

이상과 같은 본 발명에 따른 전지 셀 스택은 단독, 또는 복수개가 하나의 집합체를 구성하는 전지 팩이 될 수 있고, 이러한 전지 팩은 각종 디바이스, 예를 들어 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

100 : 셀 케이스
200 : 전극 리드
210 : 양극 리드
211 : 제1 굴곡부 212 : 직선부
213 : 제2 굴곡부
220 : 음극 리드
221 : 제1 굴곡부 222 : 직선부
223 : 제2 굴곡부

Claims (12)

1. 셀 케이스 내부에 전극 조립체가 수납되고, 양극 리드와 음극 리드로 이루어진 한 쌍의 전극 리드가 셀 케이스 외측 동일한 방향으로 돌출하는 전지 셀에서,
   상기 양극 리드와 음극 리드는 소정 각도로 절곡된 제1 굴곡부와 직선부가 함께 구비된 것을 특징으로 하는 전지 셀.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 양극 리드와 음극 리드는 서로 반대 방향으로 절곡된 것을 특징으로 하는 전지 셀.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 양극 리드와 음극 리드는 소정 각도로 절곡된 제1 굴곡부, 직선부 및 제2 굴곡부가 순차적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제2 굴곡부는 파형이 반복되는 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 전지 셀.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 직선부는 상기 셀 케이스의 전면 또는 후면과 평행하게 위치하는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 직선부는 상기 셀 케이스의 전면 또는 후면과 점진적으로 이격될 수 있도록 소정 각도로 경사지게 위치하는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 전지 셀이 복수개 적층된전지 스택으로서,
   서로 인근하는 양극 리드와 음극 리드가 면접촉하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 전지 스택.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 양극 리드와 음극 리드의 직선부가 면접촉하는 것을 특징으로 하는 전지 스택.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 양극 리드와 음극 리드의 직선부 및 제2 굴곡부가 면접촉하는 것을 특징으로 하는 전지 스택.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 양극 리드와 음극 리드의 면접촉 부위에는 용접부가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 전지 스택.
    
11. 제7항에 있어서,
    상기 복수개의 전지 셀은 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 전지 스택.
    
12. 제7항에 기재된 전지 스택을 포함하는 전지 팩.

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