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WO2016048002A1 - 둘 이상의 케이스 부재들을 포함하는 각형 전지셀 - Google Patents

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WO2016048002A1
WO2016048002A1 PCT/KR2015/009937 KR2015009937W WO2016048002A1 WO 2016048002 A1 WO2016048002 A1 WO 2016048002A1 KR 2015009937 W KR2015009937 W KR 2015009937W WO 2016048002 A1 WO2016048002 A1 WO 2016048002A1
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WO
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battery cell
case members
electrode assembly
cap plate
negative electrode
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PCT/KR2015/009937
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English (en)
French (fr)
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김기태
윤형구
김동명
김효진
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LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
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Publication date
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Priority to US15/502,875 priority patent/US10770694B2/en
Priority to EP15843664.2A priority patent/EP3163647B1/en
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Definitions

  • the present invention relates to a rectangular battery cell comprising two or more case members.
  • lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries is high.
  • secondary batteries are classified according to the structure of an electrode assembly having a structure in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode are formed.
  • Jelly-roll type electrode assembly having a structure wound in a state where a separator is interposed, a stack type electrode assembly in which a plurality of anodes and cathodes cut in units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator therebetween
  • an electrode assembly having an advanced structure which is a mixed form of the jelly-roll type and the stack type has a predetermined unit.
  • Stacked / foldable electrode having a structure in which positive and negative electrodes are sequentially wound in a state in which unit cells stacked on a separator film are stacked with a separator interposed therebetween Developed body lip.
  • the secondary battery is a cylindrical battery and a rectangular battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can according to the shape of the battery case, and a pouch type battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. Are classified.
  • a pouch-type battery having a stacked or stacked / folding electrode assembly in a pouch-type battery case of an aluminum laminate sheet has attracted much attention due to its low manufacturing cost, small weight, and easy shape deformation. And its usage is gradually increasing.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a general structure of a conventional representative pouch type secondary battery.
  • the pouch type secondary battery 100 may include an electrode assembly 130, electrode tabs 131 and 132 extending from the electrode assembly 130, and electrodes welded to the electrode tabs 131 and 132. And a battery case 120 accommodating the leads 140 and 141 and the electrode assembly 130.
  • the electrode assembly 130 is a power generator in which a positive electrode and a negative electrode are sequentially stacked in a state where a separator is interposed therebetween, and has a stack type or a stack / fold type structure.
  • the electrode tabs 131 and 132 extend from each electrode plate of the electrode assembly 130, and the electrode leads 140 and 141 may include a plurality of electrode tabs 131 and 132 extending from each electrode plate, for example, Each is electrically connected by welding, and a part of the battery case 120 is exposed to the outside.
  • an insulating film 150 is attached to upper and lower portions of the electrode leads 140 and 141 to increase the sealing degree with the battery case 120 and to secure an electrical insulation state.
  • the battery case 120 includes a case body 122 including a concave shape receiving part 123 in which the electrode assembly 130 may be seated, and a cover 121 integrally connected to the body 122.
  • the battery is completed by combining both side portions 124 and the upper end 125, which are contact portions, with the electrode assembly 130 stored in the housing 123.
  • the battery case 120 is formed of an aluminum laminate structure of a resin layer, a metal foil layer, and a resin layer, by applying heat and pressure to both sides 124 and the upper end 125 of the cover 121 and the body 122 which are in contact with each other. By sealing the resin layers with each other, a sealing excess portion is formed.
  • Both side portions 124 are in direct contact with the same resin layers of the upper and lower battery case 120, it is possible to uniformly seal by melting.
  • the electrode leads 140 and 141 protrude from the upper end 125, the electrode may be improved in consideration of the thickness of the electrode leads 140 and 141 and heterogeneity with the material of the battery case 120. Thermal bonding between the leads 140 and 141 with the insulating film 150 interposed therebetween.
  • the pouch type secondary battery is vulnerable to protection from external shock due to its low rigidity, in spite of the advantage that the shape of the battery case can be easily changed according to the shape of the electrode assembly. There is a problem with the risk of deterioration and explosion.
  • the decomposition reaction of the electrolyte occurs at the positive electrode interface, thereby generating a large amount of gas, the secondary battery The swollen swelling phenomenon occurs, and the change of the shape of the secondary battery acts as a factor of damaging the electrical connection of the secondary battery.
  • the pouch type secondary battery has a problem in that unnecessary capacity decrease occurs in comparison with the size of the secondary battery due to the sealing surplus generated during the sealing of the battery case.
  • the rectangular battery cell is manufactured by inserting an electrode assembly into a rectangular hollow case sealed at a lower end thereof, then welding an upper cap assembly, injecting an electrolyte, and sealing an injection hole.
  • it is manufactured by deep drawing processing the board
  • the deep drawing processing method has a problem that the manufacturing cost of the device is very high, takes a long time to manufacture a mold and the like, there is a limit of the shape that can be processed.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • An electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and at least one side of the positive electrode and the negative electrode protrudes from each other;
  • Two or more case members coupled to each other in a structure corresponding to an outer shape of the electrode assembly, and having a predetermined opening to open at least one surface corresponding to a protruding portion of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal;
  • a cap plate coupled to seal the opening of the case members
  • the rectangular battery cell according to the present invention can improve the safety of the battery cell against external physical shocks by the case structure consisting of the two or more case members and the cap plate, and to prevent gas generation in the battery cell. It is possible to prevent the deformation of the shape, improve the overall safety, design in a variety of designs, can reduce the cost and time required for the production of the battery cell, and at the same time can reduce the defective rate of the product.
  • the electrode assembly may have a structure in which unit cells having a laminated structure including a cathode, a cathode, and a separator interposed between the anode and the cathode are continuously wound by a separator film, but is not limited thereto. As long as it is a structure that can be stably wrapped by the two or more case members and the cap plate, it is not particularly limited.
  • the positive electrode terminal and the negative electrode terminal may have a structure protruding together on the same side of the electrode assembly.
  • a typical rectangular battery cell has a structure in which the positive electrode terminal and the negative electrode terminal protrude to the same side. Accordingly, the device to which the rectangular battery cell is applied is also configured such that the positive electrode and the negative electrode are connected at the same side of the rectangular battery cell.
  • an additional electrode lead such as an electrode lead capable of inducing one electrode terminal of the positive electrode terminal or the negative electrode terminal in the direction of the other electrode terminal.
  • a member is required, and the member is built together with the electrode assembly in the case, and thus has a relatively high capacity compared to a battery cell of the same size including an electrode assembly in which the positive electrode terminal and the negative electrode terminal protrude to the same side. Can be less.
  • the rectangular battery cell according to the present invention may have a structure in which the positive electrode terminal and the negative electrode terminal protrude together on the same side of the electrode assembly.
  • the case members are structures that are mutually coupled in a structure surrounding the remaining surfaces of the electrode assembly so as to form an opening in which one surface corresponding to the protruding portion of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the electrode assembly is opened, It may be a structure that is coupled to each other in a structure surrounding the remaining surfaces of the electrode assembly to form two openings that open one surface corresponding to the projecting portion of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the electrode assembly and the other surface facing the one surface.
  • a cap plate is coupled to the opening, and a cap plate coupled to one surface corresponding to the protruding portion of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the electrode assembly may be electrically connected to the positive terminal and the negative electrode terminal of the electrode assembly.
  • case members may have at least one surface corresponding to the protruding portion of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the electrode assembly, and together with the one surface to form an opening to selectively open the other surface opposite to the one surface of the electrode assembly. They can be joined together in a structure surrounding the remaining faces.
  • the cap plate coupled to the opening of one surface corresponding to the protruding portion of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal is electrically connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the electrode assembly, without an additional member such as an electrode lead, Positive and negative electrodes for electrical connection of the same surface can be easily formed on the cap plate.
  • the case members may be two case members having the same shape as each other.
  • case members may be two case members having different shapes from each other, and in this case, the rectangular battery cells manufactured by combining the case members are not symmetrical about one axis, It may be formed into a structure having an irregular outer surface.
  • case members having the same or different shape may surround each other surface of the electrode assembly, or may have a structure of dividing the same surface.
  • case members may have a structure in which a step is formed on at least one outer surface, and in detail, the step may be a step formed of a step structure.
  • case members of the rectangular battery cell according to the present invention can be more easily applied to the electrode assembly having a variety of outer surface structure, such as the step.
  • case members may be manufactured by forging, blanking or cutting the metal sheet.
  • the rectangular battery cell according to the present invention is a metal
  • the cap plate and the plurality of case members are manufactured by forging, blanking or cutting of sheet material.
  • the coupling portion of the case member may be a structure in which a step formed of a step structure is formed.
  • the step of the step structure is formed in the coupling portion of the case member coupled to the cap plate, in addition to the coupling portion of the case member, or the coupling portion of the case member and the corresponding cap plate coupled to the cap plate It may be a structure also formed in the binding site.
  • the stepped structure of the step structure provides a relatively large area to the coupling portion, the case members and the cap plate can be more stably coupled.
  • the step of the staircase structure may be formed of a structure in which the coupling sites are engaged with each other.
  • the stepped structure of the step structure provides a stronger bonding force to the coupling site, it is possible to prevent the separation from the coupling site of the case members and the cap plate by an external physical impact.
  • the coupling method is not particularly limited, and in detail, may be made by laser welding.
  • the rectangular battery cell may be a structure in which the case members are coupled to each other in a structure surrounding the outer peripheral surface of the electrode assembly in a state in which the positive terminal and the negative terminal of the electrode assembly are electrically connected to the cap plate. have.
  • the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the electrode assembly are electrically connected to the cap plate first, and then the case members are connected to the remaining outer circumferential surface of the electrode assembly. It can be manufactured by combining with each other in a structure surrounding the.
  • the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the electrode assembly are exposed, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal can be more easily connected to the cap plate.
  • the rectangular battery cell according to the present invention is not particularly limited, but as a specific example, a lithium secondary battery, such as a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, etc. having advantages such as high energy density, discharge voltage, output stability, etc. It may be a battery.
  • a lithium secondary battery such as a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, etc. having advantages such as high energy density, discharge voltage, output stability, etc. It may be a battery.
  • a lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte.
  • the positive electrode is prepared by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder to a positive electrode current collector, followed by drying, and optionally, a filler is further added to the mixture.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder is a component that assists the bonding of the active material and the conductive material to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode is manufactured by coating and drying a negative electrode active material on a negative electrode current collector, and optionally, the components as described above may optionally be further included.
  • carbon such as hardly graphitized carbon and graphite type carbon
  • Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, halogen, 0 ⁇ x ⁇ 1; 1 ⁇ y ⁇ 3; 1 ⁇ z ⁇ 8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and metal oxides such as Bi 2
  • the separator and the separator are interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 ⁇ m ⁇ m, thickness is generally 5 ⁇ 300 ⁇ m.
  • a separator for example, olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used.
  • a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the separator and / or the separator may be an SRS (Safety-Reinforcing Separators) separator of organic / inorganic composite porous.
  • the SRS separator is manufactured using inorganic particles and a binder polymer as an active layer component on a polyolefin-based separator substrate, wherein the pore structure included in the separator substrate itself and the interstitial volume between the inorganic particles as the active layer component are used. It has a uniform pore structure formed.
  • the organic / inorganic composite porous separator may exhibit excellent adhesion characteristics by controlling the content of the inorganic particles and the binder polymer, which are the active layer components in the separator, and thus may have an easy battery assembly process.
  • the inorganic particles are not particularly limited as long as they are electrochemically stable. That is, the inorganic particles that can be used in the present invention are not particularly limited as long as the oxidation and / or reduction reactions do not occur in the operating voltage range of the battery to be applied (for example, 0 to 5 V on the basis of Li / Li +).
  • the inorganic particles having the ion transfer ability since the ion conductivity in the electrochemical device can be improved to improve the performance, it is preferable that the ion conductivity is as high as possible.
  • the inorganic particles have a high density, it is not only difficult to disperse during coating, but also has a problem of weight increase during battery manufacturing, and therefore, it is preferable that the density is as small as possible.
  • an inorganic material having a high dielectric constant it is possible to contribute to an increase in the degree of dissociation of an electrolyte salt such as lithium salt in the liquid electrolyte, thereby improving the ionic conductivity of the electrolyte solution.
  • the lithium salt-containing nonaqueous electrolyte solution consists of a polar organic electrolyte solution and a lithium salt.
  • a non-aqueous liquid electrolyte an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.
  • N-methyl- 2-pyrrolidinone a propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma
  • Butyl lactone 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and eth
  • organic solid electrolytes examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymers containing ionic dissociating groups and the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.
  • the lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.
  • the non-aqueous electrolyte solution includes, for example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, and hexaphosphate triamide.
  • halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics.
  • the present invention also provides a method for manufacturing the rectangular battery cell, the method for manufacturing the rectangular battery cell,
  • step (b) manufacturing an electrode assembly by winding continuously in a state in which the unit cells prepared in step (a) are placed on a long sheet-like separation film;
  • step (c) electrically connecting the positive terminal and the negative terminal of the electrode assembly prepared in step (b) to the cap plate;
  • step (d) combining the case members and the cap plate such that the positive electrode terminal and the negative electrode terminal surround the electrode assembly electrically connected to the cap plate in step (c), and injecting and sealing an electrolyte solution;
  • each of the unit cells may be configured such that the outermost electrodes having different polarities face each other with the separation film therebetween.
  • the unit cells may have the same outermost polarity or a different structure from both sides, and each of the unit cells may have the outermost electrodes having different polarities facing each other with the separation film therebetween.
  • the separation film In a state in which it is alternately placed in, the separation film may be wound continuously to form an electrode assembly.
  • the coupling of the case members and the coupling of the case members with the cap plate may be made by laser welding to provide a more stable coupling force.
  • step (d) is injected into the cap plate is coupled to the case members in a sealed state, it can be injected through the electrolyte injection hole formed in the cap plate.
  • the present invention also provides a device including one or more of the rectangular battery cell, the device is a mobile phone, tablet computer, notebook computer, power tools, wearable electronics, electric vehicle, hybrid electric vehicle, plug-in hybrid electric It may be any one selected from the group consisting of automobiles and power storage devices.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a general structure of a conventional pouch type secondary battery
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of a prismatic battery cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the structure of an electrode assembly constituting the square battery cell of FIG.
  • FIG. 4 is a plan view schematically showing a coupling structure of case members of a rectangular battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • 5 to 7 are schematic views schematically showing various structures of the coupling portions of the case members and the cap plate of the rectangular battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 to 15 are schematic diagrams illustrating various structures of a prismatic battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of a prismatic battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • the rectangular battery cell 200 includes two case members 210 and 220 and one cap plate 230.
  • the two case members 210 and 220 are the first case member 210 and the second case member 220 having the same shape as each other, and have an electrode assembly in a shape corresponding to the external shape of the electrode assembly (not shown). It is coupled to each other in a structure surrounding the, and forms a predetermined opening so that the top surface 245 of the rectangular battery cell 200 is opened.
  • the first case member 210 and the second case member 220 surround the entirety of the front surface 241 and the rear surface 242 of the rectangular battery cell 200, respectively, and include a left side surface 243, a right side surface 244, and a bottom surface thereof.
  • Each of the parts 246 is structured to enclose.
  • the cap plate 230 is coupled and sealed to the opening of the upper surface 245 formed by coupling the case members 210 and 220.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the structure of the electrode assembly constituting the rectangular battery cell of FIG.
  • the electrode assembly 300 has a structure in which a plurality of unit cells 310, 320, 330, 340, and 350 are sequentially wound in a state of being placed on the separation film 390.
  • each of the unit cells 310, 320, 330, 340, 350 has a positive electrode terminal 360 and a negative electrode terminal 370 protruding from one surface of the outer circumferential surface of the positive electrode and the negative electrode, respectively, the positive electrode terminal 360.
  • the negative electrode terminal 370 protrudes to the same side of the unit cells 310, 320, 330, 340, and 350.
  • the positive electrode terminal 360 and the negative electrode terminal 370 are coupled to the case members 210 and 220 of FIG. 2. It is positioned in the opening direction formed by, and is electrically connected to the cap plate (230 of FIG. 2).
  • FIG. 4 is a plan view schematically illustrating a coupling structure of case members of a rectangular battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • the case members 410 and 420 have a step formed in a stepped structure at the coupling portions 414 and 424.
  • a step formed of a stepped structure is formed in all the coupling portions 414 and 424 to which the case members 410 and 420 abut each other, and specifically, the left side wall of each case member 410 and 420 ( 411, 421, the right side wall (412, 422) and the bottom portion (413, 423) of the coupling portion (414, 424) is a structure protruding or indented, the coupling portion 414, 424 are respectively engaged with each other It consists of a structure.
  • the coupling of the case members 410 and 420 is made by laser welding to the coupling portions 414 and 424, which are made of stepped structures.
  • the stepped structure of the step structure provides a relatively large area to the coupling portions 414 and 424 of the case members 410 and 420, the case members 410 and 420 can be more stably coupled. Since the bonding force is provided to the coupling portions 414 and 424, the separation from the coupling portion of the case members 410 and 420 due to an external physical impact can be prevented.
  • 5 to 7 schematically show various structures of the coupling parts of the case members and the cap plate of the prismatic battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • a cap plate 530 is coupled and sealed to an opening 540 in which one surface of the case members 510 and 520 is opened.
  • Steps 511 and 521 having a stepped structure having an inner surface are formed in the opening 540, which is a coupling portion of the case members 510 and 520 coupled to the cap plate 530, and are coupled to the opening 540.
  • the cap plate 530 is a size corresponding to the steps 511 and 521 of the staircase structure and does not include a separate step.
  • the cap plate 530 is coupled and sealed in a shape that is inserted into the steps 511 and 521 of the stepped structure formed in the opening 540 of the case members 510 and 520.
  • steps 631 and 632 having a stepped structure are formed at both ends of the cap plate 630 coupled to the openings 640 of the case members 610 and 620, and the cap plate 630 is formed.
  • the remaining structure is the same as that of FIG. 5 except that it is not formed in the opening 640 of the case members 610 and 620 to be coupled thereto.
  • the opening 740 and the cap plate corresponding thereto which are the coupling portions of the case members 710 and 720, to which the steps 711, 721, 731, and 732 of the staircase structure are coupled to the cap plate 730, respectively.
  • the remaining structure is the same as the bonding structure of FIG.
  • FIGS. 8 to 15 are exploded perspective views schematically showing various structures of the prismatic battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • the rectangular battery cell 800 includes two case members 810 and 820 and one cap plate 830.
  • the two case members 810 and 820 surround the entire left side 843 and the right side 844 of the rectangular battery cell 800, respectively, and part of the front side 841, the rear side 842, and the bottom side 845. Except that consists of a structure surrounding each, the rest of the structure is the same as the rectangular battery cell of FIG.
  • the rectangular battery cell 900 includes two case members 910 and 920 and two cap plates 931 and 932.
  • the two case members 910 and 920 have the same shape as each other, are coupled to each other in a structure that surrounds the electrode assembly in a shape corresponding to the outer shape of the electrode assembly (not shown), and have an upper end of the rectangular battery cell 900.
  • a predetermined opening is formed to open the face 945 and the bottom face 946.
  • One case member 910 and another case member 920 respectively surround the entire front surface 941 and the right side 944 and the entire rear surface 942 and the left side 943 of the rectangular battery cell 900, respectively. Consists of
  • Cap plates 931 and 932 are respectively coupled and sealed to the openings of the top surface 945 and the bottom surface 946 formed by coupling the case members 910 and 920.
  • the rectangular battery cell 1000 includes two case members 1010 and 1020 and one cap plate 1030.
  • the two case members 1010 and 1020 have different shapes from each other, are coupled to each other in a structure that surrounds the electrode assembly in a shape corresponding to the outer shape of the electrode assembly (not shown), and have an upper end of the rectangular battery cell 1000.
  • the opening 10 is formed to open the face 1045.
  • One case member 1010 has a structure surrounding the entire surface 1041, left side 1043, and right side 1044 of the rectangular battery cell 1000, and another case member 1020 is a rectangular battery cell ( The back surface 1042 and the bottom surface 1046 of the 1000 is composed of a structure surrounding each.
  • the cap plate 1030 is coupled and sealed to the opening of the top surface 1045 formed by coupling the case members 1010 and 1020.
  • the rectangular battery cell 1100 includes two case members 1110 and 1120 and one cap plate 1130.
  • the two case members 1110 and 1120 have the same shape and have a planar quadrangular shape, and include first side surfaces 1111 and 1121 to which the cap plate 1130 is coupled and second side surfaces 1112 adjacent thereto. 1122 is in an open state.
  • Each of the case members 1110 and 1120 faces each of the open second sides 1112 and 1122 so that the first sides 1111 and 1121 to which the cap plate 1130 is coupled face in the same direction.
  • the electrodes are coupled to each other in a structure surrounding an electrode assembly (not shown), and form predetermined openings to open the first side surfaces 1111 and 1121 of the rectangular battery cell 1100.
  • the cap plate 1130 is coupled and sealed to the opening formed by coupling the case members 1110 and 1120.
  • the case members 1110 and 1120 have a shape corresponding to the outer shape of the electrode assembly and include a step 1170 having a stepped structure formed on an outer circumferential surface thereof.
  • the rectangular battery cell 1200 includes two case members 1210 and 1220 and one cap plate 1230.
  • the case members 1210 and 1220 are formed of a polygonal plane, and the rest of the structure of FIG. 11 except that the step 1270 of the step structure is not formed in the bottom direction 1261. Since it is the same as the square battery cell 1100 of FIG. 11, a detailed description thereof will be omitted.
  • the rectangular battery cell 1300 includes two case members 1310 and 1320 and one cap plate 1330.
  • the case members 1310 and 1320 have the same shape as each other, and are formed in a planar circular shape, and openings are formed in some of the first side surfaces 1311 and 1321 of the case members 1310 and 1320. Except that the cap plate 1330 is coupled and sealed to the opening, the remaining structure is the same as that of the square battery cell 1200 of FIG. 12, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the rectangular battery cell 1400 includes four case members 1410, 1420, 1430, and 1440 and one cap plate 1450.
  • the first case member 1410 and the fourth case member 1440 may include first side surfaces 1411 and 1441 to which the cap plate 1450 is coupled, and second side surfaces 1412 and 1442 adjacent to and adjacent to each other; In a direction opposite to the first side surfaces 1411 and 1441, the third side surfaces 1413 and 1443 facing the second case member 1420 and the third case member 1430, respectively, have an open structure. .
  • the second case member 1420 and the third case member 1430 respectively face the second side surfaces 1422 and 1432, the first case member 1410, and the fourth case member 1440, which face each other.
  • Sides 1421 and 1431 have an open structure.
  • the square battery cell 1400 corresponds to the shape of the outer circumferential surface of the electrode assembly (not shown), and a step 1470 having a stepped structure is formed on the outer circumferential surface except the lower surface direction.
  • the rectangular battery cell 1500 includes two case members 1510 and 1520 and one cap plate 1530.
  • the case members 1510 and 1520 have a planar quadrangular shape, and the first side surfaces 1511 and 1521 to which the cap plate 1530 is coupled, and the upper surface 1522 and the lower surface 1512 facing each other, respectively. Each has an open structure.
  • the case members 1510 and 1520 include a step 1570 having a stepped structure corresponding to the shape of the outer circumferential surface of the electrode assembly (not shown), and the case members 1510 and 1520 may be connected to the upper surface 1522.
  • the lower surface 1512 is joined by facing, and the cap plate 1530 is sealed by engaging the opening formed by the open first side surfaces 1511 and 1521.
  • the rectangular battery cell of the present invention has a shape corresponding to the outer shape of the electrode assembly, and includes two or more case members and a cap plate which are coupled to each other in a structure surrounding the electrode assembly. It is possible to more easily configure the electrode assembly having a variety of shapes, such as the step difference, it is possible to improve the safety against external physical impact.
  • the prismatic battery cell according to the present invention comprises a battery case comprising two or more case members and a cap plate coupled to each other in a structure surrounding the electrode assembly in response to the external shape of the electrode assembly. Since the overall rigidity is improved, it is possible to improve the safety against external physical shocks, and to prevent the deformation of the shape caused by the gas generation in the battery cell, and thus, the device to which the battery cell, including the battery cell, is applied It can improve the safety of the design, can be designed in a variety of designs without restrictions on the shape, reduce the cost and time required for the production of the battery cell, can achieve the effect of increasing the efficiency of the production process, and the product There is an effect that can lower the defective rate of.

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 상기 양극 및 음극의 적어도 일측에는 양극단자 및 음극단자가 각각 돌출되어 있는 전극조립체; 상기 전극조립체의 외형에 대응하는 형상으로 전극조립체를 감싸는 구조로 상호 결합되어 있고, 적어도 양극단자 및 음극단자의 돌출부위에 대응하는 일면이 개방되도록 소정의 개구를 형성하는 둘 이상의 케이스 부재들; 및 상기 케이스 부재들의 개구를 밀봉하도록 결합되는 캡 플레이트;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀을 제공한다.

Description

둘 이상의 케이스 부재들을 포함하는 각형 전지셀
본 발명은 둘 이상의 케이스 부재들을 포함하는 각형 전지셀에 관한 것이다.
본 출원은 2014년 09월 25일자 한국 특허 출원 제2014-0128103호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
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 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 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, 전극리드들(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, 전극리드들(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 수지층/금속박층/수지층의 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 전극리드들(140, 141)이 돌출되어 있으므로 전극리드들(140, 141)의 두께 및 전지케이스(120) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드들(140, 141)과의 사이에 절연필름(150)을 개재한 상태에서 열융착시킨다.
그러나, 이러한 파우치형 이차전지는 전극조립체의 형상에 따라, 전지케이스의 형태를 용이하게 변경할 수 있다는 장점에도 불구하고, 낮은 강성으로 인해 외부 충격으로부터의 보호에 취약하며, 특히 침상 부재에 의한 손상으로 인한 열화 및 폭발의 위험성을 갖는 문제점이 있다.
또한, 상기 이차전지는 고온의 환경에 노출되거나 또는 오작동 등에 의하여 이차전지에서 내부 단락이 발생하는 경우, 양극 계면에서 전해액의 분해 반응이 일어나게 되고, 그로 인해 다량의 가스가 발생함에 따라, 상기 이차전지가 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생하며, 이로 인한 이차전지의 형태 변경은 이차전지의 전기적 연결을 훼손하는 요인으로 작용한다.
더욱이, 상기 파우치형 이차전지는 전지케이스를 밀봉하는 과정에서 생성된 밀봉 잉여부로 인해, 이차전지의 크기에 비해 불필요한 용량 감소가 발생하는 문제점이 있다.
한편, 상기 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 금속으로 이루어진 각형 전지케이스에 내장한 구조의 각형 전지셀을 생각해볼 수 있다.
일반적으로 상기 각형 전지셀은 하단이 밀봉되어 있는 각형 중공 케이스에 전극조립체를 삽입한 후 상단 캡 어셈블리를 용접하고 전해질을 주입한 뒤 주입구를 밀봉하여 제조되는 바, 상기 하단이 밀봉된 각형 중공 케이스는 통상적으로 알루미늄 합금의 판재를 딥 드로잉(deep drawing) 가공함으로써 제조된다.
그러나, 상기 딥 드로잉 가공법은 장치의 제작 비용이 매우 높고, 금형 등의 제조에 긴 기간이 소요되며, 가공할 수 있는 형상의 한계가 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, 전지케이스를 전극조립체의 외형에 대응해 상기 전극조립체를 감싸는 구조로 상호 결합되는 둘 이상의 케이스 부재들 및 캡 플레이트로 구성함으로써, 전지셀의 전체적인 강성이 향상되므로, 외부의 물리적 충격에 대한 안전성을 향상시킬 수 있고, 전지셀 내에서의 가스 발생에 따른 형태 변형을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지셀을 비롯한 상기 전지셀이 적용되는 디바이스의 안전성을 향상시킬 수 있고, 형상에 대한 제약이 없는 다양한 디자인으로 설계할 수 있으며, 전지셀의 제작에 소요되는 비용과 시간을 단축하여, 생산 공정의 효율성 증대 효과를 함께 달성할 수 있고, 제품의 불량률을 낮출 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 각형 전지셀은,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 상기 양극 및 음극의 적어도 일측에는 양극단자 및 음극단자가 각각 돌출되어 있는 전극조립체;
상기 전극조립체의 외형에 대응하는 형상으로 전극조립체를 감싸는 구조로 상호 결합되어 있고, 적어도 양극단자 및 음극단자의 돌출부위에 대응하는 일면이 개방되도록 소정의 개구를 형성하는 둘 이상의 케이스 부재들; 및
상기 케이스 부재들의 개구를 밀봉하도록 결합되는 캡 플레이트;
를 포함하고 있는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 각형 전지셀은 상기 둘 이상의 케이스 부재들 및 캡 플레이트로 이루어진 케이스 구조에 의해, 외부의 물리적 충격에 대한 전지셀의 안전성을 향상시킬 수 있고, 전지셀 내에서의 가스 발생에 따른 형태 변형을 방지해, 전체적인 안전성을 향상시킬 수 있고, 다양한 디자인으로 설계할 수 있으며, 전지셀의 제작에 소요되는 비용과 시간을 단축시킬 수 있는 동시에, 제품의 불량률을 낮출 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 단위셀들이 분리필름에 의해 연속적으로 권취된 구조로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 둘 이상의 케이스 부재들 및 캡 플레이트에 의해 안정적으로 감싸질 수 있는 구조라면, 크게 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 양극단자 및 음극단자는 전극조립체의 동일한 일측에 함께 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
일반적인 각형 전지셀은 양극단자 및 음극단자가 동일한 일측으로 돌출된 구조로 이루어져 있으며, 이에 따라, 상기 각형 전지셀이 적용되는 디바이스 역시 각형 전지셀의 동일한 일측에서 양극과 음극이 접속되도록 구성되어 있다.
만일, 상기 양극단자 및 음극단자가 전극조립체의 상이한 일측 및 타측에 돌출되어 있는 경우, 상기 양극단자 또는 음극단자 중 하나의 전극단자를 나머지 전극단자의 방향으로 유도할 수 있는 전극리드와 같은 추가의 부재가 필요하며, 상기 부재는 케이스 내에서 전극조립체와 함께 내장되는 바, 이에 따라, 양극단자 및 음극단자가 동일한 일측으로 돌출되어 있는 전극조립체를 포함하는 동일한 크기의 전지셀에 비해 상대적으로 용량이 적어질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 각형 전지셀은 양극단자 및 음극단자가 전극조립체의 동일한 일측에 함께 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 케이스 부재들은, 전극조립체의 양극단자 및 음극단자의 돌출 부위에 대응하는 일면이 개방되는 하나의 개구를 형성하도록, 전극조립체의 나머지 면들을 감싸는 구조로 상호 결합되어 있는 구조이거나, 전극조립체의 양극단자 및 음극단자의 돌출 부위에 대응하는 일면과 상기 일면에 대향하는 타면이 개방되는 두 개의 개구를 형성하도록, 전극조립체의 나머지 면들을 감싸는 구조로 상호 결합되어 있는 구조일 수 있다.
이 때, 상기 개구에는 캡 플레이트가 결합되고, 상기 전극조립체의 양극단자 및 음극단자의 돌출 부위에 대응하는 일면에 결합되는 캡 플레이트는 전극조립체의 양극단자 및 음극단자와 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 케이스 부재들은 적어도 전극조립체의 양극단자 및 음극단자의 돌출 부위에 대응하는 일면이 개방되고, 상기 일면과 함께, 상기 일면에 대향하는 타면이 선택적으로 개방되는 개구를 형성하도록, 전극조립체의 나머지 면들을 감싸는 구조로 상호 결합될 수 있다.
또한, 상기 양극단자 및 음극단자의 돌출 부위에 대응하는 일면의 개구에 결합되는 캡 플레이트는 전극조립체의 양극단자 및 음극단자와 전기적으로 연결되어 있어, 전극리드와 같은 별도의 부재 없이, 외부 디바이스와의 전기적 연결을 위한 양극 및 음극이 동일한 일면의 캡 플레이트에 용이하게 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 케이스 부재들은 서로 동일한 형상으로 이루어진 2개의 케이스 부재들일 수 있다.
이에 따라, 상기 케이스 부재들은 하나의 공정을 통해 제조될 수 있으므로, 제품 생산에 소요되는 비용을 감소시킬 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 케이스 부재들은 서로 상이한 형상으로 이루어진 2개의 케이스 부재들일 수 있으며, 이러한 경우에, 상기 케이스 부재들을 결합하여 제조되는 각형 전지셀은 하나의 축을 중심으로 대칭되는 형상이 아닌, 불규칙적인 외면을 갖는 구조로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 서로 상이한 형상으로 이루어진 2개의 케이스 부재들을 결합함으로써, 보다 다양한 디자인의 전지셀을 제작할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 서로 동일하거나 상이한 형성의 케이스 부재들은 전극조립체의 서로 상이한 면을 감싸는 구조이거나, 동일한 면을 분할하여 감싸는 구조일 수 있다.
또한, 상기 케이스 부재들은 적어도 하나의 외면에 단차가 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 상세하게는, 상기 단차는 계단 구조로 이루어진 단차일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 각형 전지셀의 케이스 부재들은 상기 단차와 같이 다양한 외면 구조를 갖는 전극조립체에 보다 용이하게 적용될 수 있다.
한편, 상기 케이스 부재들은 금속 판재를 단조, 블랭킹 또는 절삭 가공함으로써 제조될 수 있다.
다시 말해, 종래의 각형 전지셀은 딥 드로잉 가공법에 의해 제조되는 하나의 개구를 갖는 중공형의 각형 케이스와 상기 개구를 밀폐하는 하나의 캡 플레이트로 이루어지는 것과 달리, 본 발명에 따른 각형 전지셀은 금속 판재의 단조, 블랭킹 또는 절삭 가공법에 의해 제조되는 다수의 케이스 부재들과 캡 플레이트가 결합되어 이루어 진다.
따라서, 형상에 대한 제약이 없는 다양한 디자인으로 전지셀을 설계할 수 있으며, 전지셀의 제작에 소요되는 비용과 시간을 단축하여, 생산 공정의 효율성 증대 효과를 함께 달성할 수 있고, 딥 드로잉 가공법으로 인해 발생할 수 있는 제품의 불량률을 낮출 수 있다.
한편, 상기 케이스 부재들의 결합 부위에는 계단 구조로 이루어진 단차가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 계단 구조로 이루어진 단차는 상기 케이스 부재들의 결합 부위 외에, 상기 캡 플레이트와 결합되는 케이스 부재들의 결합 부위에 형성되거나, 상기 캡 플레이트와 결합되는 케이스 부재들의 결합 부위 및 이에 대응되는 캡 플레이트의 결합 부위에도 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 계단 구조로 이루어진 단차는 상기 결합 부위에 상대적으로 넓은 면적을 제공하므로, 상기 케이스 부재들 및 캡 플레이트가 보다 안정적으로 결합될 수 있다.
이 때, 상기 계단 구조의 단차는 결합 부위가 각각 서로 대응되어 맞물리는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 계단 구조의 단차는 결합 부위에 보다 강한 결합력을 제공하므로, 외부의 물리적 충격에 의한 상기 케이스 부재들 및 캡 플레이트의 결합 부위로부터의 이탈을 방지할 수 있다.
또한, 상기 케이스 부재들의 결합 및 케이스 부재들과 캡 플레이트의 결합은 안정적인 결합력을 제공할 수 있는 방법이라면, 그 결합 방법이 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 각형 전지셀은 전극조립체의 양극단자 및 음극단자가 캡 플레이트와 전기적으로 연결된 상태에서, 케이스 부재들이 상기 전극조립체의 나머지 외주면을 감싸는 구조로 상호 결합되어 제조되는 구조일 수 있다.
즉, 상기 각형 전지셀은 케이스 부재들이 전극조립체의 나머지 외주면을 감싸기에 앞서, 상기 전극조립체의 양극단자 및 음극단자가 캡 플레이트와 전기적으로 먼저 연결되고, 그 후 상기 케이스 부재들이 전극조립체의 나머지 외주면을 감싸는 구조로 상호 결합되어 제조될 수 있다.
따라서, 상기 전극조립체의 양극단자 및 음극단자가 노출되어 있으므로, 상기 양극단자 및 음극단자를 캡 플레이트에 보다 용이하게 연결할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 각형 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 ~ 300 ㎛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 각형 전지셀을 제조하는 방법을 제공하는 바, 상기 각형 전지셀을 제조하는 방법은,
(a) 하나 이상의 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 단위셀들을 제조하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 제조된 단위셀들을 긴 시트 형상의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 연속적으로 권취함으로써 전극조립체를 제조하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계에서 제조된 전극조립체의 양극단자와 음극단자를 캡 플레이트에 전기적으로 연결하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계에서 양극단자와 음극단자가 캡 플레이트에 전기적으로 연결된 전극조립체를 감싸도록 케이스 부재들 및 캡 플레이트를 결합하고 전해액을 주입하여 밀봉하는 단계;
를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 각각의 단위셀들은 서로 상이한 극성을 갖는 최외곽 전극들이 분리필름을 사이에 두고 서로 대면하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 단위셀들은 양측의 최외곽 극성이 서로 동일하거나, 상이한 구조일 수 있으며, 상기 각각의 단위셀들은 분리필름을 사이에 두고 서로 상이한 극성을 갖는 최외곽 전극들이 서로 대면하도록 분리필름 상에 교번 방식으로 위치된 상태에서, 상기 분리필름이 연속적으로 권취됨으로써 전극조립체를 구성할 수 있다.
또한, 상기 케이스 부재들의 결합 및 케이스 부재들과 캡 플레이트의 결합은 보다 안정적인 결합력을 제공할 수 있도록, 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다.
한편, 상기 (d) 단계의 전해액은 캡 플레이트가 케이스 부재들에 결합되어 밀폐된 상태에서 주입되는 바, 상기 캡 플레이트에 형성된 전해액 주입구를 통해 주입될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 각형 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 디바이스들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다;
도 3은 도 2의 각형 전지셀을 이루는 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각형 전지셀의 케이스 부재들의 결합 구조를 개략적으로 나타낸 평면도이다;
도 5 내지 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각형 전지셀의 케이스 부재들과 캡 플레이트의 결합 부위의 다양한 구조를 개략적으로 나타낸 모식도들이다;
도 8 내지 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각형 전지셀의 다양한 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 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 각형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 각형 전지셀(200)은 2개의 케이스 부재들(210, 220)과 하나의 캡 플레이트(230)를 포함하고 있다.
2개의 케이스 부재들(210, 220)은 서로 동일한 형상으로 이루어져 있는 제 1 케이스 부재(210) 및 제 2 케이스 부재(220)이고, 전극조립체(도시하지 않음)의 외형에 대응하는 형상으로 전극조립체를 감싸는 구조로 상호 결합되며, 각형 전지셀(200)의 상단면(245)이 개방되도록 소정의 개구를 형성한다.
제 1 케이스 부재(210)와 제 2 케이스 부재(220)는 각각 각형 전지셀(200)의 전면(241)과 후면(242) 전체를 감싸며, 좌측면(243), 우측면(244) 및 하단면(246)의 일부를 각각 감싸는 구조로 이루어져 있다.
케이스 부재들(210, 220)이 결합되어 형성되는 상단면(245)의 개구에는 캡 플레이트(230)가 결합되어 밀폐된다.
도 3에는 도 2의 각형 전지셀을 이루는 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전극조립체(300)는 다수의 단위셀들(310, 320, 330, 340, 350)을 분리필름(390) 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있다.
또한, 각 단위셀들(310, 320, 330, 340, 350)은 양극 및 음극의 외주면 중 일면에 양극단자(360) 및 음극단자(370)가 각각 돌출되어 있는 바, 상기 양극단자(360) 및 음극단자(370)는 상기 단위셀들(310, 320, 330, 340, 350)의 동일한 일측으로 돌출되어 있다.
전극조립체(300)가 케이스 부재들(도 2의 210, 220)의 결합에 의해 감싸지는 경우, 양극단자(360) 및 음극단자(370)는 케이스 부재들(도 2의 210, 220)의 결합에 의해 형성되는 개구 방향으로 위치하게 되며, 캡 플레이트(도 2의 230)와 전기적으로 연결된다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각형 전지셀의 케이스 부재들의 결합 구조를 개략적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 케이스 부재들(410, 420)은 결합 부위(414, 424)에 계단 구조로 이루어진 단차가 형성되어 있다.
계단 구조로 이루어진 단차는 각 케이스 부재들(410, 420)이 서로 맞닿아 결합되는 모든 결합 부위(414, 424)에 형성되어 있으며, 구체적으로, 각 케이스 부재들(410, 420)의 좌측벽(411, 421), 우측벽(412, 422) 및 하단벽(413, 423)의 결합 부위(414, 424)가 돌출 또는 만입된 구조로서, 결합 부위(414, 424)가 각각 서로 대응되어 맞물리는 구조로 이루어져 있다.
케이스 부재들(410, 420)의 결합은 계단 구조의 단차로 이루어진 결합 부위(414, 424)에 대한 레이저 용접으로 이루어진다.
따라서, 상기 계단 구조로 이루어진 단차는 케이스 부재들(410, 420)의 결합 부위(414, 424)에 상대적으로 넓은 면적을 제공하므로, 케이스 부재들(410, 420)이 보다 안정적으로 결합될 수 있고, 상기 결합 부위(414, 424)에 보다 강한 결합력을 제공하므로, 외부의 물리적 충격에 의한 상기 케이스 부재들(410, 420)의 결합 부위로부터의 이탈을 방지할 수 있다.
도 5 내지 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각형 전지셀의 케이스 부재들과 캡 플레이트의 결합 부위의 다양한 구조를 개략적으로 나타낸 모식도들이 도시되어 있다.
우선, 도 5를 참조하면, 케이스 부재들(510, 520)의 일면이 개방된 개구(540)에는 캡 플레이트(530)가 결합되어 밀폐된다.
캡 플레이트(530)와 결합되는 케이스 부재들(510, 520)의 결합 부위인 개구(540)에는 내면이 만입된 계단 구조의 단차(511, 521)가 형성되어 있고, 상기 개구(540)에 결합되는 캡 플레이트(530)는 상기 계단 구조의 단차(511, 521)에 대응하는 크기로서, 별도의 단차를 포함하지 않는다.
따라서, 캡 플레이트(530)는 케이스 부재들(510, 520)의 개구(540)에 형성된 계단 구조의 단차(511, 521)에 삽입되는 형상으로 결합되어 밀폐된다.
도 6을 참조하면, 계단 구조의 단차(631, 632)가 케이스 부재들(610, 620)의 개구(640)에 결합되는 캡 플레이트(630)의 양측 단부에 형성되어 있고, 상기 캡 플레이트(630)와 결합되는 케이스 부재들(610, 620)의 개구(640)에는 형성되어 있지 않다는 점을 제외하고, 나머지 구조는 도 5의 결합 구조와 동일하다.
도 7을 참조하면, 계단 구조의 단차(711, 721, 731, 732)가 캡 플레이트(730)와 결합되는 케이스 부재들(710, 720)의 결합 부위인 개구(740) 및 이에 대응되는 캡 플레이트의 결합 부위인 양측 단부에 모두 형성되어 있다는 점을 제외하고, 나머지 구조는 도 5의 결합 구조와 동일하다.
도 8 내지 도 15에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 각형 전지셀의 다양한 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도가 도시되어 있다.
우선, 도 8을 참조하면, 각형 전지셀(800)은 2개의 케이스 부재들(810, 820)과 하나의 캡 플레이트(830)를 포함하고 있다.
2개의 케이스 부재들(810, 820)은 각각 각형 전지셀(800)의 좌측면(843)과 우측면(844) 전체를 감싸며, 전면(841), 후면(842) 및 하단면(845)의 일부를 각각 감싸는 구조로 이루어져 있는 것을 제외하고, 나머지 구조는 도 2의 각형 전지셀과 동일하다.
도 9를 참조하면, 각형 전지셀(900)은 2개의 케이스 부재들(910, 920)과 2개의 캡 플레이트들(931, 932)을 포함하고 있다.
2개의 케이스 부재들(910, 920)은 서로 동일한 형상으로 이루어져 있고, 전극조립체(도시하지 않음)의 외형에 대응하는 형상으로 전극조립체를 감싸는 구조로 상호 결합되며, 각형 전지셀(900)의 상단면(945)과 하단면(946)이 개방되도록 소정의 개구를 형성한다.
하나의 케이스 부재(910)와 또 다른 케이스 부재(920)는 각각 각형 전지셀(900)의 전면(941)과 우측면(944) 전체 및 후면(942)과 좌측면(943) 전체를 각각 감싸는 구조로 이루어져 있다.
케이스 부재들(910, 920)이 결합되어 형성되는 상단면(945) 및 하단면(946)의 개구에는 캡 플레이트들(931, 932)이 각각 결합되어 밀폐된다.
도 10을 참조하면, 각형 전지셀(1000)은 2개의 케이스 부재들(1010, 1020)과 하나의 캡 플레이트(1030)를 포함하고 있다.
2개의 케이스 부재들(1010, 1020)은 서로 상이한 형상으로 이루어져 있고, 전극조립체(도시하지 않음)의 외형에 대응하는 형상으로 전극조립체를 감싸는 구조로 상호 결합되며, 각형 전지셀(1000)의 상단면(1045)이 개방되도록 소정의 개구를 형성한다.
하나의 케이스 부재(1010)는 각형 전지셀(1000)의 전면(1041), 좌측면(1043) 및 우측면(1044) 전체를 감싸는 구조로 이루어져 있고, 또 다른 케이스 부재(1020)는 각형 전지셀(1000)의 후면(1042)과 하단면(1046) 전체를 각각 감싸는 구조로 이루어져 있다.
케이스 부재들(1010, 1020)이 결합되어 형성되는 상단면(1045) 의 개구에는 캡 플레이트(1030)가 결합되어 밀폐된다.
도 11을 참조하면, 각형 전지셀(1100)은 2개의 케이스 부재들(1110, 1120)과 하나의 캡 플레이트(1130)를 포함하고 있다.
2개의 케이스 부재들(1110, 1120)은 서로 동일한 형상으로서, 평면상 사각형 형상으로 이루어져 있으며, 캡 플레이트(1130)가 결합되는 제 1 측면들(1111, 1121) 및 이에 인접한 제 2 측면들(1112, 1122)이 개방된 상태로 이루어져 있다.
각 케이스 부재들(1110, 1120)은 캡 플레이트(1130)가 결합되는 제 1 측면들(1111, 1121)이 동일한 방향을 향하도록, 각각의 개방된 제 2 측면들(1112, 1122)이 대면함으로써, 전극조립체(도시하지 않음)를 감싸는 구조로 상호 결합되며, 각형 전지셀(1100)의 제 1 측면들(1111, 1121)이 개방되도록 소정의 개구를 형성한다.
케이스 부재들(1110, 1120)이 결합되어 형성되는 개구에는 캡 플레이트(1130)가 결합되어 밀폐된다.
케이스 부재들(1110, 1120)은 전극조립체의 외형에 대응하는 형상으로서, 외주면에 형성된 계단 구조의 단차(1170)를 포함하고 있다.
도 12를 참조하면, 각형 전지셀(1200)은 2개의 케이스 부재들(1210, 1220)과 하나의 캡 플레이트(1230)를 포함하고 있다.
각형 전지셀(1200)은 케이스 부재들(1210, 1220)이 평면상 다각형으로 이루어져 있으며, 하면 방향(1261)으로 계단 구조의 단차(1270)가 형성되어 있지 않은 점을 제외한 나머지 구조가 도 11의 각형 전지셀(도 11의 1100)과 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 13을 참조하면, 각형 전지셀(1300)은 2개의 케이스 부재들(1310, 1320)과 하나의 캡 플레이트(1330)를 포함하고 있다.
케이스 부재들(1310, 1320)은 서로 동일한 형상으로서, 평면상 원형으로 이루어져 있으며, 각 케이스 부재들(1310, 1320)의 제 1 측면들(1311, 1321) 중의 일부에 개구가 형성되어 있고, 상기 개구에 캡 플레이트(1330)가 결합되어 밀폐된다는 점을 제외한 나머지 구조는 도 12의 각형 전지셀(도 12의 1200)과 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 14를 참조하면, 각형 전지셀(1400)은 4개의 케이스 부재들(1410, 1420, 1430, 1440)과 하나의 캡 플레이트(1450)를 포함하고 있다.
제 1 케이스 부재(1410)와 제 4 케이스 부재(1440)는 캡 플레이트(1450)가 결합되는 제 1 측면들(1411, 1441), 이에 인접하여 상호 대면하는 제 2 측면들(1412, 1442) 및 제 1 측면들(1411, 1441)에 대향하는 방향에서, 제 2 케이스 부재(1420) 및 제 3 케이스 부재(1430)와 각각 대면하는 제 3 측면들(1413, 1443)이 개방된 구조로 이루어져 있다.
제 2 케이스 부재(1420)와 제 3 케이스 부재(1430)는 서로 대면하는 제 2 측면들(1422, 1432), 제 1 케이스 부재(1410) 및 제 4 케이스 부재(1440)와 각각 대면하는 제 1 측면들(1421, 1431)이 개방된 구조로 이루어져 있다.
각형 전지셀(1400)은 전극조립체(도시하지 않음)의 외주면 형상에 대응하여, 하면 방향을 제외한 나머지 외주면에 계단 구조의 단차(1470)가 형성되어 있다.
도 15를 참조하면, 각형 전지셀(1500)은 2개의 케이스 부재들(1510, 1520)과 하나의 캡 플레이트(1530)를 포함하고 있다.
케이스 부재들(1510, 1520)은 평면상으로 사각형 형상으로 이루어져 있고, 각각 캡 플레이트(1530)가 결합되는 제 1 측면들(1511, 1521) 및 서로 대면하는 상면(1522)과 하면(1512)이 각각 개방된 구조로 이루어져 있다.
케이스 부재들(1510, 1520)은 전극조립체(도시하지 않음)의 외주면 형상에 대응하여, 계단 구조의 단차(1570)를 포함하고 있으며, 각 케이스 부재들(1510, 1520)은 상면(1522)과 하면(1512)이 대면함으로써 결합되고, 개방된 제 1 측면들(1511, 1521)에 의해 형성된 개구에 캡 플레이트(1530)가 결합됨으로써 밀폐된다.
상기 실시예들에서 보이는 바와 같이, 본원발명의 각형 전지셀은 전극조립체의 외형에 대응하는 형상으로서, 전극조립체를 감싸는 구조로 상호 결합되는 둘 이상의 케이스 부재들 및 캡 플레이트를 포함하고 있으므로, 계단 구조의 단차와 같은 다양한 형상을 갖는 전극조립체를 보다 용이하게 구성할 수 있는 동시에, 외부의 물리적 충격에 대한 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 각형 전지셀은, 전지케이스를 전극조립체의 외형에 대응해 상기 전극조립체를 감싸는 구조로 상호 결합되는 둘 이상의 케이스 부재들 및 캡 플레이트로 구성함으로써, 전지셀의 전체적인 강성이 향상되므로, 외부의 물리적 충격에 대한 안전성을 향상시킬 수 있고, 전지셀 내에서의 가스 발생에 따른 형태 변형을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지셀을 비롯한 상기 전지셀이 적용되는 디바이스의 안전성을 향상시킬 수 있고, 형상에 대한 제약이 없는 다양한 디자인으로 설계할 수 있으며, 전지셀의 제작에 소요되는 비용과 시간을 단축하여, 생산 공정의 효율성 증대 효과를 함께 달성할 수 있고, 제품의 불량률을 낮출 수 있는 효과가 있다.

Claims (23)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 상기 양극 및 음극의 적어도 일측에는 양극단자 및 음극단자가 각각 돌출되어 있는 전극조립체;
    상기 전극조립체의 외형에 대응하는 형상으로 전극조립체를 감싸는 구조로 상호 결합되어 있고, 적어도 양극단자 및 음극단자의 돌출부위에 대응하는 일면이 개방되도록 소정의 개구를 형성하는 둘 이상의 케이스 부재들; 및
    상기 케이스 부재들의 개구를 밀봉하도록 결합되는 캡 플레이트;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 적층 구조의 단위셀들이 분리필름에 의해 연속적으로 권취된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양극단자 및 음극단자는 전극조립체의 동일한 일측에 함께 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 케이스 부재들은, 전극조립체의 양극단자 및 음극단자의 돌출 부위에 대응하는 일면이 개방되는 하나의 개구를 형성하도록, 전극조립체의 나머지 면들을 감싸는 구조로 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 케이스 부재들은, 전극조립체의 양극단자 및 음극단자의 돌출 부위에 대응하는 일면과 상기 일면에 대향하는 타면이 개방되는 두 개의 개구를 형성하도록, 전극조립체의 나머지 면들을 감싸는 구조로 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 개구에는 캡 플레이트가 결합되고, 상기 전극조립체의 양극단자 및 음극단자의 돌출 부위에 대응하는 일면에 결합되는 캡 플레이트는 전극조립체의 양극단자 및 음극단자와 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 부재들은 서로 동일한 형상으로 이루어진 2개의 케이스 부재들인 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 부재들은 서로 상이한 형상으로 이루어진 2개의 케이스 부재들인 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 부재들은 적어도 하나의 외면에 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 부재들은 금속 판재를 단조, 블랭킹 또는 절삭 가공함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 부재들의 결합 부위에는 계단 구조로 이루어진 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 캡 플레이트와 결합되는 케이스 부재들의 결합 부위에는 계단 구조로 이루어진 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 캡 플레이트와 결합되는 케이스 부재들의 결합 부위 및 이에 대응되는 캡 플레이트의 결합 부위에는 계단 구조로 이루어진 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 계단 구조의 단차는 결합 부위가 각각 서로 대응되어 맞물리는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 부재들의 결합 및 케이스 부재들과 캡 플레이트의 결합은 레이저 용접에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 각형 전지셀은 전극조립체의 양극단자 및 음극단자가 캡 플레이트와 전기적으로 연결된 상태에서, 케이스 부재들이 상기 전극조립체의 나머지 외주면을 감싸는 구조로 상호 결합되어 제조되는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 각형 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  18. 제 1 항에 따른 각형 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 하나 이상의 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 단위셀들을 제조하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 단위셀들을 긴 시트 형상의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 연속적으로 권취함으로써 전극조립체를 제조하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에서 제조된 전극조립체의 양극단자와 음극단자를 캡 플레이트에 전기적으로 연결하는 단계;
    (d) 상기 (c) 단계에서 양극단자와 음극단자가 캡 플레이트에 전기적으로 연결된 전극조립체를 감싸도록 케이스 부재들 및 캡 플레이트를 결합하고 전해액을 주입하여 밀봉하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 각각의 단위셀들은 서로 상이한 극성을 갖는 최외곽 전극들이 분리필름을 사이에 두고 서로 대면하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀 제조 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 케이스 부재들의 결합 및 케이스 부재들과 캡 플레이트의 결합은 레이저 용접에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀 제조 방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 (d) 단계의 전해액은 캡 플레이트에 형성된 전해액 주입구를 통해 주입되는 것을 특징으로 하는 각형 전지셀 제조 방법.
  22. 제 1 항에 따른 각형 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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