KR101302358B1 - 연결 신뢰성이 향상된 전지셀 및 이를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 전극판들이 순차적으로 적층되어 있는 구조의 전극조립체를 포함하고, 상기 전극판들로부터 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들의 단부에는 외부 디바이스와의 접속을 위한 전극리드가 용접되어 있으며, 상기 전극리드에서, 전극 탭들 및 전극리드 간의 용접부와 외부 디바이스 및 전극리드 접속부 사이에는, 외부 디바이스에 대한 전극리드의 초음파 용접시 초음파 에너지를 흡수 및 완충할 수 있는 초음파 댐핑(damping)부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

연결 신뢰성이 향상된 전지셀 및 이를 포함하는 전지모듈 {Battery Cell of Improved Connection Reliability and Battery Module Employed with the Same}

본 발명은 연결 신뢰성이 향상된 전지셀 및 이를 포함하는 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극판들이 순차적으로 적층되어 있는 구조의 전극조립체를 포함하고, 상기 전극판들로부터 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들의 단부에는 외부 디바이스와의 접속을 위한 전극리드가 용접되어 있으며, 상기 전극리드에서, 전극 탭들 및 전극리드 간의 용접부와 외부 디바이스 및 전극리드 접속부 사이에는, 외부 디바이스에 대한 전극리드의 초음파 용접시 초음파 에너지를 흡수 및 완충할 수 있는 초음파 댐핑(damping)부가 형성되어 있는 전지셀에 관한 것이다.

충방전이 가능한 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등을 포함하여 고출력 대용량이 요구되는 디바이스의 동력원으로서 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들이 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들을 사용함에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

한편, 중대형 전지모듈에서 고출력을 제공하기 위하여 전지셀들의 전극 탭은 인접한 전지셀들의 전극리드나 접속부재로서의 버스 바 등에 전기적으로 연결된다.

도 1에는 종래의 대표적인 전지셀의 분해도를 모식적으로 도시하고 있고, 도 2에는 도 1의 전극리드의 측면도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1의 전지셀을 연결하여 제조되는 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지셀(100)의 전극조립체(110)는 다수의 전극판들(101, 102)이 순차적으로 적층되어 있으며, 이들 전극판들(101, 102)로부터 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들(111, 112)은 전극리드(120)의 단부(122)와 용접되어 있다. 이 경우, 일반적으로 평평한 형태의 전극 리드(120)가 전극조립체(110)의 전극 탭들(111, 112)과 연결된다.

또한, 이러한 전지셀들(100, 100')을 전기적으로 연결하여 전지모듈(200)을 형성할 경우, 도 3와 같이 전극리드(120)의 일측 단부(124)는 또 다른 전지셀의 전극리드와 초음파 용접에 의해 상호 연결된다.

그러나, 이 경우, 높은 에너지의 초음파 용접을 실행하게 되면, 전극리드에 인가된 초음파가 전극 탭들과 전극리드 사이의 용접부의 강도를 감소시켜, 전지셀의 전극 탭들과 전극리드가 단전 내지 단락되는 경우가 발생할 수 있으며, 전지셀의 다른 부위에도 초음파가 전달되어 전기적으로 전지셀이 손상될 수 있다.

한편, 파우치형 전지셀들의 경우, 알루미늄의 양극리드와 구리의 음극리드가 용접되어 상호 결합되는 것으로 전지셀들이 연결된다. 그러나, 서로 다른 소재로 이루어져 있는 두 전극리드를 용접할 경우에는 많은 열이 발생하게 되므로, 그러한 열은 전극조립체 중의 전류 집전체에 도포되어 있는 전극 활물질로 전달되어 활물질의 열화를 초래한다. 또한, 상기 전지셀들이 염분 등 부식을 유발하는 물질을 포함하고 있는 환경에 노출되었을 경우, 상대적으로 부식성이 높은 알루미늄에 의하여 상기 전지셀들 간의 연결부위에서 부식의 발생 가능성이 높아진다.

따라서, 초음파 용접시 에너지를 흡수 및 완충하여 전지셀의 단전 내지 단락 및 손상을 방지할 수 있는 전지셀에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은, 인가되는 초음파 에너지로 인한 전지셀의 전극 탭과 전극리드 간의 용접부에 전달하는 손상을 최소화하여 단전 내지 단락을 방지할 수 있는 등의 효과를 발휘할 수 있는 전지셀 및 이를 포함하는 전지모듈을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 다수의 전극판들이 순차적으로 적층되어 있는 구조의 전극조립체를 포함하고, 상기 전극판들로부터 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들의 단부에는 외부 디바이스와의 접속을 위한 전극리드가 용접되어 있으며, 상기 전극리드에서, 전극 탭들 및 전극리드 간의 용접부와 외부 디바이스 및 전극리드 접속부 사이에는, 외부 디바이스에 대한 전극리드의 초음파 용접시 초음파 에너지를 흡수 및 완충할 수 있는 초음파 댐핑(damping)부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 전지셀의 전극 탭들은 평평한 형태의 전극리드와 용접이 행해진다. 그러나, 상기 전극리드와 외부 디바이스와의 용접 시, 앞서 설명한 바와 같이, 인가 에너지에 의해 이미 용접된 전극 탭과 전극리드가 단전 내지 단락되는 경우가 발행한다.

이에 반해, 본 발명의 전지셀에는 용접시 초음파 에너지를 흡수 및 완충할 수 있는 초음파 댐핑부가 형성되어 있으므로, 인가되는 초음파 에너지가 전지셀 내부의 전극 탭과 전극리드 간의 용접부에 전달하는 손상을 최소화하여 전지셀의 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 이러한 초음파 댐핑부는 전지셀 내부의 전극조립체에 대한 초음파 에너지를 감쇄시켜 전극 활물질들이 전류 집전체로부터 탈리되는 현상도 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 바람직하게는 알루미늄 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지에서 바람직하게 사용될 수 있다.

또한, 상기 전지케이스에 대해 전극리드가 절연상태로 유지할 수 있도록 전지케이스에 접하는 전극리드의 상면 및 하면에 절연성 필름이 부착되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 상기 외부 디바이스는 고출력 대용량의 제공을 위해 당해 전지셀과 전기적으로 연결할 수 있는 구조라면 특별히 한정하는 것은 아니며, 바람직하게는, 접속부재로서의 버스 바, 전지팩의 외부 입출력 단자, 또는 다른 전지셀의 전극리드 등일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 초음파 댐핑부는 전극리드가 절곡되어 형성된 요철 구조일 수 있다.

상기 요철 구조는 초음파 에너지를 흡수할 수 있는 구조라면 특별히 한정하는 것은 아니며, 예를 들어, 전극리드의 수직 단면 상에서 돔 형상, 또는 삼각형 형성, 또는 사각형 형상으로 이루어질 수 있다.

이러한 요철 구조는 전극리드의 폭 방향으로 연속된 구조일 수도 있고 또는 비연속적 구조일 수도 있으며, 전극리드의 폭 방향에 평행한 구조일 수도 있고, 소정의 각도로 기울어진 구조일 수도 있다. 경우에 따라서는, 요청 구조가 전극리드의 평면 상에서 엠보싱 형상으로 이루어질 수도 있다. 이러한 엠보싱 형상에서, 요철의 개수는 많을수록 더 많은 초음파 에너지를 흡수할 수 있어서 바람직하다.

상기 요철 구조의 길이와 높이는, 지나치게 작은 경우 요철구조의 역할을 제대로 수행할 수 없으며, 이와는 반대로 요철 구조의 길이와 높이가 지나치게 큰 경우에는, 전극 탭 또는 외부 디바이스와의 용접시 전체적으로 부피가 증가하여 콤팩트한 구조를 이룰 수 없으므로 바람직하지 않다. 따라서, 일 예로, 요철 구조의 길이는 전극리드의 길이를 기준으로 10 내지 50% 크기로 형성되어 있을 수 있고, 요철 구조의 높이는 전극리드의 두께를 기준으로 최대 높이가 30 내지 200% 크기로 형성되어 있을 수 있지만, 이들 범위로 한정되지 않음은 물론이다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 초음파 댐핑부는 음극리드 상에 형성되어 있을 수 있다.

상기 구조에서, 상기 음극리드는 바람직하게는 니켈 소재로 이루어질 수 있으며, 상기 음극리드에 용접되는 음극 탭은 니켈이 코팅된 구리로 이루어질 수 있다.

일반적으로 파우치형 전지에서는 양극으로 알루미늄을 사용하고, 음극으로 구리를 사용한다. 즉, 니켈 소재의 음극리드와 니켈이 코팅된 구리 소재의 음극 탭이 용접될 경우, 상호 동일한 소재로 이루어져 있어서 전극 탭들과 전극리드간 및 전극리드 상호간의 용접성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상대적으로 부식성이 강한 구리의 경우에, 이를 전지셀 내측에 위치시킴으로써 염분 함유 분위기에서의 내부식성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또는, 강도 상승으로 인한 전극리드 간의 용접을 위해 고 에너지의 초음파 용접이 불가피한 바, 상기 음극리드에 용접되는 음극 탭은 바람직하게는 강도가 낮은 주석이 코팅된 구리로 이루어질 수도 있다.

한편, 중대형 전지모듈의 경우 고출력 대용량의 성능 확보를 위해 다수의 전지셀들이 사용되는 바, 이러한 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 한정된 장착공간 내에서 안전성의 확보를 위해 더욱 높은 장착 효율성, 구조적 안정성 및 방열 효율성이 요구된다.

따라서, 본 발명은 상기 전지셀들을 단위전지로서 다수 개 포함되어있는 고출력 대용량의 중대형 전지모듈을 제공한다.

전지모듈의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀의 전극리드에서, 전극 탭들 및 전극리드 간의 용접부와 외부 디바이스 및 전극리드 접속부 사이에 초음파 댐핑부가 형성됨으로써, 외부 디바이스에 대한 전극리드의 초음파 용접시 초음파 에너지를 흡수 및 완충할 수 있고, 손상을 최소화하여 전지셀의 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 전지셀의 분해도이다;
도 2는 도 1의 전극리드의 측면도이다;
도 3은 도 1의 전지셀을 연결하여 제조되는 전지모듈의 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 정면 투시도이다;
도 5는 도 4의 양극리드의 측면도이다;
도 6은 도 4의 음극리드의 측면도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 정면 투시도가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 전지셀(300)은 양극리드(310)와 음극리드(320)가 양측에서 전지케이스(350)의 외측으로 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.

양극리드(310)는 알루미늄 소재이고 음극리드(320)는 니켈을 코팅한 구리 소재로서, 양극 탭(311)과 음극 탭(321)에 각각 연결되어 있으며, 전지케이스(350)의 밀봉부위(354)에 별도의 절연성 필름(356)에 의하여 도포되어 있다.

도 5에는 본 발명에 따른 하나의 예시적인 방법으로 도 4의 양극리드의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 5를 도 4와 함께 참조하면, 양극 전극리드(310)에서, 전극 탭들(311) 및 양극리드(310)의 용접부(312)와, 버스 바(도시하지 않음) 및 양극리드(310) 접속부(314)의 사이에는, 버스 바(도시하지 않음)에 대한 양극리드(310)의 초음파 용접시 초음파 에너지를 흡수 및 완충할 수 있는 초음파 댐핑부(316)가 형성되어 있다.

초음파 댐핑부(316)는 요철구조로 이루어져 있어서, 초음파 에너지를 용이하게 흡수할 수 있다.

또한, 이러한 요철 구조는 양극리드 길이(L)를 기준으로 25% 크기로 형성되어 있고, 전극리드 두께(W)를 기준으로 최대 높이가 150% 크기로 형성되어 있다.

도 6는 본 발명의 또 다른 하나의 예시적인 방법으로 도 4의 음극리드의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 6을 도 4 및 도 5와 함께 참조하면, 음극리드(320) 상에 요철 구조의 초음파 댐핑부(326)가 형성되어 있고, 니켈 소재로 이루어져 있다.

또한, 음극리드(320)에 용접되는 음극 탭(321)은 니켈이 코팅된 구리로 이루어져 있어서, 음극 탭(321)과 음극리드(320)간의 용접성을 향상시킬 수 있고, 내부식성을 향상시킬 수 있는 점을 제외하고는 도 5의 양극리드의 구조와 동일하므로 생략한다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

1-1. 전극리드의 제조

전극리드의 길이(L)를 기준으로 25%의 크기 및 전극리드의 두께(W)를 기준으로 최대 높이가 150%의 크기로 요철 구조를 형성하여, 초음파 댐핑부를 포함한 전극리드를 제조하였다.

1-2. 음극 판과 양극 판의 제조

일측에 탭이 돌출된 구리 호일의 집전체에 음극 활물질을 도포하여 음극 판을 제조하였다. 그러한 음극 판의 음극 탭에는 니켈을 코팅하였다. 또한, 일측에 탭이 돌출된 알루미늄 호일의 집전체에 양극 활물질을 도포하여 양극 판을 제조하였다.

1-3. 전지셀의 제조

양극 판과 음극 판 사이에 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층한 뒤, 양측에서 돌출된 형태의 양극 탭들과 음극 탭들을 각각 알루미늄 소재의 양극리드와 구리 소재에 니켈을 코팅한 음극리드에 연결하고, 전지케이스에 장착한 후 전해액을 주입하여 전지를 완성하였다.

1-4. 전지모듈의 제작

상기 제조된 전지셀을 상호 직렬 연결하여 전지모듈을 제작하였다. 전지셀들의 전극리드간 연결은 초음파 용접(약 2000 J ~ 3000 J)으로 행하였다.

[비교예 1]

전극리드에 초음파 댐핑부를 포함하지 않고 음극 탭들을 구리 소재의 음극리드에 연결하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지모듈을 제작하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제작된 전지모듈들의 전극리드간 결합력의 차이를 확인하기 위하여, 전지모듈의 공정 중 인가될 수 있는 초음파 에너지를 인가하였다. 그 결과, 전극리드와 전극 탭간의 인장강도의 감소가 20% 범위를 넘지 않음을 확인하였다. 또한, 전지모듈의 제작 후 측정한 고율 방전 (100A 이상) 특성에서도 특이사항이 발견되지 않았다.

반면에, 초음파 댐핑부가 없는 경우, 초음파 에너지의 인가 시, 전극리드와 전극 탭의 용접부가 단락되거나 80% 이상 용접 강도가 감소함을 확인하였다. 또한, 모듈 제작 후 고율 방전(100A 이상) 특성에서 음극 리드와 음극 탭의 용접부의 온도가 비이상적으로 상승하며, 측정되는 저항 값의 경우도 초음파 댐핑부가 형성된 실시예 1과 비교하여 40% 이상 높게 측정되었다. 이는, 초음파 댐핑부의 음극리드를 결합한 실시예 1의 전지모듈이 초음파 용접에서 비교예 1의 전지모듈에 비해 인가된 에너지를 흡수하여 상대적으로 우수한 결합력을 제공하기 때문이다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

1. 다수의 전극판들이 순차적으로 적층되어 있는 구조의 전극조립체를 포함하고, 상기 전극판들로부터 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들의 단부에는 외부 디바이스와의 접속을 위한 전극리드가 용접되어 있으며, 상기 전극리드에서, 전극 탭들 및 전극리드 간의 용접부와 외부 디바이스 및 전극리드 접속부 사이에는, 외부 디바이스에 대한 전극리드의 초음파 용접시 초음파 에너지를 흡수 및 완충할 수 있는 초음파 댐핑(damping)부가 형성되어 있고, 상기 초음파 댐핑부는 전극리드가 절곡되어 형성된 요철 구조로서, 상기 요철 구조는 전극리드의 길이를 기준으로 10 내지 50% 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지케이스에 대해 전극리드가 절연상태로 유지할 수 있도록 전지케이스에 접하는 전극리드의 상면 및 하면에 절연성 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 디바이스는 버스 바, 전지팩의 외부 입출력 단자, 또는 다른 전지셀의 전극리드인 것을 특징으로 하는 전지셀.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 요철 구조는 전극리드의 수직 단면 상에서 돔 형상, 또는 삼각형 형성, 또는 사각형 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 요철 구조는 전극리드의 평면 상에서 엠보싱 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 댐핑부는 음극리드 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 음극리드는 니켈 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 음극리드에 용접되는 음극 탭은 니켈이 코팅된 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
13. 제 10 항에 있어서, 상기 음극리드에 용접되는 음극 탭은 주석이 코팅된 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
14. 제 1 항에 따른 상기 전지셀을 단위전지로서 다수 개 포함되어 있는 고출력 대용량의 중대형 전지모듈.
15. 다수의 전극판들이 순차적으로 적층되어 있는 구조의 전극조립체를 포함하고, 상기 전극판들로부터 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들의 단부에는 외부 디바이스와의 접속을 위한 전극리드가 용접되어 있으며, 상기 전극리드에서, 전극 탭들 및 전극리드 간의 용접부와 외부 디바이스 및 전극리드 접속부 사이에는, 외부 디바이스에 대한 전극리드의 초음파 용접시 초음파 에너지를 흡수 및 완충할 수 있는 초음파 댐핑(damping)부가 형성되어 있고, 상기 초음파 댐핑부는 전극리드가 절곡되어 형성된 요철 구조로서, 상기 요철 구조는 전극리드의 두께를 기준으로 최대 높이가 30 내지 200% 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.

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