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WO2010044587A2 - 이차전지 팩 - Google Patents

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WO2010044587A2
WO2010044587A2 PCT/KR2009/005868 KR2009005868W WO2010044587A2 WO 2010044587 A2 WO2010044587 A2 WO 2010044587A2 KR 2009005868 W KR2009005868 W KR 2009005868W WO 2010044587 A2 WO2010044587 A2 WO 2010044587A2
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WO
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battery cell
battery pack
secondary battery
fastening groove
insulating
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PCT/KR2009/005868
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윤석진
문기업
김정환
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LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
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Publication date
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Priority to EP09820737.6A priority patent/EP2337109B1/en
Priority to US13/122,302 priority patent/US8852766B2/en
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery pack, and more particularly, an insulating mounting member in which an electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure is directly in contact with an upper surface of a battery cell and an upper surface of a battery cell sealed together with an electrolyte. And an insulating cap coupled to an upper end of the battery cell while surrounding the insulating mounting member, and a fastening groove is formed on an upper surface of the battery case, and a shape corresponding to the fastening groove on the lower surface of the insulating cap.
  • the fastening protrusion is formed, and the fastening protrusion relates to a secondary battery pack having a structure in which the coupling of the insulating cap to the battery cell is reinforced while being inserted into the fastening groove.
  • lithium secondary batteries with high energy density, high operating voltage, and excellent storage and life characteristics are used for various mobile devices as well as various electronic products. It is widely used as an energy source.
  • the lithium secondary battery is equipped with a protection circuit module (PCM) capable of effectively controlling abnormal conditions such as overcharge and the like connected to the battery cell.
  • PCM protection circuit module
  • safety devices including PCMs must maintain electrical connection with the electrode terminals while maintaining electrical insulation from other parts of the battery cell. Accordingly, in order to form such a connection form, an insulating mounting member is required, and a method of applying and bonding an adhesive between the battery cell and the insulating mounting member is used.
  • this coupling method has a disadvantage of weakening the bonding strength of the battery pack. Such a weakening of the bond strength, when a physical shock is applied to the battery cell, may cause an electrical short and the like, and may cause a safety problem such as fire and explosion.
  • the battery cell is wrapped around the insulating mounting member in a state where the safety element is mounted.
  • the insulating cap is coupled to the upper end of the cap.
  • the present invention aims to solve the above-mentioned problems of the prior art and technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application greatly simplify the assembly process when constructing a secondary battery pack by combining a battery cell and an insulating cap mounted on the top through a specific fastening structure. At the same time, the advantages of maintaining stable bond strength were confirmed.
  • a battery cell in which an electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure is sealed inside a battery case together with an electrolyte;
  • An opening is formed to expose the electrode terminals of the battery cell, and has a structure in which a safety device is mounted on the upper part of the battery cell, and the insulating mounting member is in direct contact with the top surface of the battery cell;
  • An insulating cap coupled to an upper end of the battery cell while surrounding the insulating mounting member in a state where the safety device is mounted;
  • a fastening groove is formed on an upper surface of the battery case, and a fastening protrusion is formed on a lower surface of the insulating cap to have a shape corresponding to the fastening groove, and the fastening protrusion is inserted into the fastening groove to insulate the battery cell. Consists of a structure that strengthens the cap coupling.
  • the secondary battery pack according to the present invention includes a battery cell in which an electrode assembly is embedded, an insulating mounting member mounted on the top of the safety device and in close contact with an upper surface of the battery cell, and an insulating cap coupled to the upper end of the battery cell.
  • the coupling between the top surface of the battery cell and the insulating cap is made by mutual coupling of the fastening groove and the corresponding fastening protrusion.
  • the coupling of the insulating cap to the battery case is essentially achieved by the adhesive method as mentioned above, this coupling method weakens the bonding strength of the battery pack, there is a problem that the maintenance of the battery pack is not easy .
  • the manufacturing process is simplified and the manufacturing cost can be reduced. There is an advantage of easy maintenance.
  • the fastening groove of the top surface of the battery case made of an elongated groove and the fastening protrusion of the insulating cap may increase the mutual contact interface to further strengthen the mutual bonding force.
  • the fastening groove may be formed with a predetermined distance in parallel with the upper outer peripheral surface of the battery case, for example, the fastening groove except for the protruding electrode terminal, the electrolyte injection hole, the metal cladding located on the top of the battery cell. It may be formed on the top surface of the battery case having a partial or full length at the site.
  • the predetermined distance is 2 to 10% based on the width of the top surface of the battery cell, for example, at a portion that does not interfere with the protruding electrode terminal, the electrolyte injection hole, and the metal clad disposed on the top of the battery cell, as mentioned above. It can be made in the size of.
  • the fastening groove may be formed in a thin, long straight ( ⁇ ) or two-shaped (two-letter) shape in the plane, for example, in the case of a two-shaped line shape, the interface of the coupling with the fastening protrusion of the insulating cap compared to the straight It is preferable because it increases.
  • the fastening groove is not particularly limited as long as the fastening groove has a depth that can be easily coupled with the fastening protrusion of the insulating cap and is formed on the top surface of the battery case.
  • the fastening groove has a thickness of 10 to 70% based on the thickness of the battery case. It is preferably formed on the top surface of the battery case having a depth.
  • the fastening groove has a depth of less than 10% based on the thickness of the battery case, it is difficult to secure a bonding force between the desired battery case and the insulating cap. If the fastening groove has a depth exceeding 70%, the mechanical strength of the battery case is weakened. Not.
  • the fastening protrusion may have a size corresponding to the depth of the fastening groove so as to be in close contact with the bottom of the fastening groove, and may have a structure formed on the bottom surface of the insulating cap.
  • the battery case may be a metal can, and preferably an aluminum can, because it requires easy processing and a certain level of mechanical strength.
  • the insulating mounting member has a structure in which a safety device is mounted on the upper part, and the insulating mounting member is made of an insulating material that is in direct contact with the top surface of the battery cell.
  • the insulating mounting member has a smaller size than the top surface of the battery cell, the first opening is exposed to the first electrode terminal of the battery cell in the center, and a predetermined distance from the first opening It is comprised so that the 2nd opening in which a part (2nd electrode terminal) of the case top surface of a battery cell may be exposed in the distance may be formed.
  • both end portions of the insulating mounting member may be a structure that protrudes upward to a predetermined height in order to secure the mounting space of the safety device.
  • the insulating mounting member has a smaller size than the top surface of the battery cell, the insulating cap is easily coupled with the top surface of the battery cell while wrapping the insulating mounting member while the insulating mounting member is mounted on the top surface of the battery cell. Can be.
  • the safety device is a pair of modules that are electrically connected to a protection circuit module (PCM) including a protection circuit for controlling overcharge, overdischarge, and overcurrent of a battery, and a protection circuit mounted at the bottom of a rectangular module. It may be configured to include a connecting member, preferably one or two or more selected from the group consisting of a PTC element, a fuse, and a protective circuit board.
  • PCM protection circuit module
  • the safety device is a PTC device and a protection circuit board, and one end of the PTC device is connected to the first electrode terminal of the battery cell, and the other terminal is connected to the protection circuit board, and the second electrode of the battery cell.
  • the terminal may be connected to the protective circuit board.
  • the electrical connection (a) of the PTC element and the protection circuit board and the electrical connection (b) of the second electrode terminal of the battery cell and the protection circuit board may be performed by a variable connection member.
  • the structure may be configured to couple the connection members to the electrode terminals of the battery cell.
  • connection member is not particularly limited as long as it is a variable conductive material, but may preferably be a nickel plate.
  • the protective circuit board is coupled to the electrode terminals of the battery cell while the protective circuit board is positioned at an angle of about 90 degrees or more to the top surface of the battery cell, and then the flexible circuit board is bent to form the protective circuit board.
  • the connection members may be coupled to the protective circuit board such that the bent portions face the same side so that they can be mounted on the insulating mounting member in parallel with each other.
  • the nickel plates are bonded to the electrode terminals by spot welding, and then the protection circuit module is connected to the top surface of the battery cell.
  • the nickel plates may be bent and coupled to be mounted on the insulating mounting member in parallel with each other.
  • the fastening groove and the fastening protrusion may be relatively weak with respect to the tension in the longitudinal direction as compared with the vertical impact on the battery cell. Therefore, in the state in which the adhesive is injected into the fastening groove, it is possible to compensate for this vulnerability by combining the fastening protrusion.
  • an adhesive may be additionally added to the top surface of the battery cell or the bottom surface of the insulating cap.
  • the insulating cap may have a structure extending downward in a predetermined length so that at least a portion thereof may surround the outer surface of the upper end of the battery cell while being mounted on the battery cell.
  • the downward extension of the insulating cap may be a structure that is coupled to the outer surface of the upper end of the battery cell by an adhesive method or a mechanical fastening method.
  • the insulating cap coupled to the upper end of the battery cell may be a structure that is equipped with a separate insulating cap (lower cap) in the lower end, it may be a structure in which the outer film is attached to the outer surface of the battery case of the battery cell. This protects the battery cell from external shock and maintains electrical insulation.
  • the exterior film may have a structure attached to the structure surrounding the downward extension of the insulating cap.
  • the secondary battery pack according to the present invention may be variously applied regardless of the type and appearance of the battery cell, and preferably may be a rectangular lithium secondary battery cell.
  • the present invention also provides a secondary battery pack having improved binding force between the battery case and the insulating mounting member.
  • the secondary battery pack having improved binding force between the battery case and the insulating mounting member.
  • a battery cell in which an electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure is sealed inside a battery case together with an electrolyte;
  • An opening is formed to expose the electrode terminals of the battery cell, and has a structure in which a safety device is mounted on the upper part of the battery cell, and the insulating mounting member is in direct contact with the top surface of the battery cell;
  • An insulating cap coupled to an upper end of the battery cell while surrounding the insulating mounting member in a state where the safety device is mounted;
  • At least one fastening groove is formed on an upper surface of the battery case, and a fastening protrusion is formed on a lower surface of the insulating mounting member to have a shape corresponding to the fastening groove, and the fastening protrusion is inserted into the fastening groove. It is composed of a structure in which the insulating mounting member is coupled to the cell.
  • the fastening grooves of the top surface of the battery case and the fastening protrusions of the insulating mounting member may increase the mutual contact interface to further strengthen the mutual coupling force.
  • the fastening groove is not particularly limited as long as it is a structure in which the fastening protrusion and the coupling of the insulating mounting member are reinforced, for example, a flat, cross-shaped, or elliptical shape, It is possible to further increase the bonding interface between them.
  • the fastening groove may be formed on the top surface of the electrode terminal exposed upward from the top surface of the battery case, specifically, the protruding electrode terminal, the electrolyte injection hole, the metal clad and It may be formed at the site where it does not interfere.
  • a fastening groove for coupling the insulating cap and a fastening groove for coupling the insulating mounting member may be formed together on the top surface of the battery case.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a rechargeable battery pack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partial perspective view of the top of the battery cell of Figure 1;
  • FIG. 3 is a perspective view of an insulating mounting member mounted on an upper end of a battery cell of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a partial perspective view of the top of a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a partial schematic view showing a state in which an insulating cap is mounted on the top of the battery cell of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a state in which the insulating cap of FIG. 5 is mounted on the top of the battery cell of FIG. 4;
  • FIG. 7 is a partial schematic view showing a state in which an insulating cap is mounted on the top of a battery cell according to a modification of the present invention
  • FIG. 8 is a partial perspective view of the top of a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view of an insulating mounting member mounted on the top of the battery cell of FIG. 7;
  • FIG. 10 is a perspective view of a rechargeable battery pack completed by the embodiment of FIG. 5;
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a rechargeable battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a partial perspective view of the top of the battery cell of Figure 1 schematically
  • Figure 3 A perspective view of an insulating mounting member mounted on an upper end of a battery cell of FIG. 1 is schematically illustrated.
  • the secondary battery pack 500 includes a battery cell 100, an insulating mounting member 200, a protective circuit board 310 as a safety element, a PTC element 320, and an insulating upper / lower cap ( 400, 410, and a structure including an exterior film 140.
  • the battery cell 100 is a structure in which an electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure is sealed inside an octagonal metal can together with an electrolyte, and is coupled to an insulating mounting member 200 on an upper surface of the battery cell 100. Concave straight fastening grooves 110 are formed.
  • the insulating mounting member 200 has an opening formed to expose the electrode terminals 120 and 130 of the battery cell 100, and both ends of the insulating mounting member 200 have a protective circuit board 310 and a PTC device 320 as safety devices. Is projected upward to a predetermined height so that it can be stably mounted on its top, and is mounted to be in close contact with the top surface of the battery cell 100 directly.
  • the lower surface of the insulating mounting member 200 is formed with the linear fastening protrusions 210 corresponding to the fastening groove 110 of the top surface of the battery cell 100.
  • the insulating cap 400 is coupled to the upper end of the battery cell 100 while surrounding the insulating mounting member 200 in a state where the safety device is mounted, and has a predetermined length to cover the outer surface of the upper end of the battery cell 100. It extends downward, and the A / S label 420 is attached to one side of the top surface.
  • the lower cap 410 is mounted on the lower end of the battery cell 100 by the adhesive lower cap tape 411, and the outer circumferential portion of the battery cell 100 is wrapped with the insulating outer film 140.
  • the upper surface of the battery cell 100 has a negative electrode terminal 120 formed as a protruding terminal at the center thereof, the battery case itself forms a positive electrode, and the negative electrode terminal 120 has an insulating member 121. Is electrically insulated by Accordingly, a nickel clad is attached to a predetermined portion to form the positive electrode terminal 130, and the upper side of the battery cell may be coupled to the fastening protrusions 210 of the insulating mounting member 200 of FIG. 1. Fastening grooves 110 are formed on the surface.
  • the insulating mounting member 200 has a smaller size than the top surface of the battery cell 100, and has a first opening at which a negative electrode terminal (FIG. 2: 120) of the battery cell 100 is exposed in the center thereof.
  • 201 and a second opening 202 are formed to expose a part of the upper surface of the battery cell 100 (anode terminal; 130 in FIG. 2) at a predetermined distance from the first opening 201.
  • Both end portions 220 protrude upward to a predetermined height to secure a space in which the safety device can be mounted.
  • fastening protrusions 210 corresponding to the fastening grooves (FIG. 2: 110) formed on the top of the battery cell 100 are formed at the lower end of the insulating mounting member 200, and the fastening protrusions 210 are formed. ) Is combined with the fastening grooves 110 of the top surface of the battery cell 100 to form a mechanical fastening structure.
  • FIG. 4 is a partial perspective view schematically showing the top of the battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • the fastening groove 150 having a thin and long shape has a separation distance w having a size of 2% based on the width W of the top surface of the battery cell and is parallel to the top outer circumferential surface of the battery case 110a. In one state, it has an overall track shape and is formed on the top surface of the battery case 110a.
  • the fastening groove 150 is formed in a concave shape in a portion which does not interfere with the negative electrode terminal 120, the nickel clad positive electrode terminal 130, and the electrolyte injection hole 122 disposed on the top surface of the battery case.
  • FIG. 5 is a partial schematic view showing a state in which an insulating cap is mounted on the top of the battery cell of FIG. 4, and FIG. 6 is a perspective view illustrating a state in which the insulating cap of FIG. 5 is mounted on the top of the battery cell of FIG. 4. Is shown.
  • the insulating cap 400a has a shape corresponding to the fastening groove 150 of FIG. 4 at a lower surface thereof, and the fastening protrusion 406 is a double-sided shape in a longitudinal direction (L). )
  • the fastening groove 404 is formed on the top surface of the battery case has a depth (d) of approximately 50% based on the thickness (D) of the battery case.
  • the fastening protrusion 406 of the insulating cap 400a may surround the insulating mounting member (FIG. 1: 200) in a state where a safety device (not shown) is mounted, and thus the battery cell 100a.
  • the mechanical coupling between the coupling groove 404 formed on the top surface of the) is achieved.
  • FIG. 7 is a partial schematic view showing a state in which an insulating cap is mounted on the top of the battery cell according to a modification of the present invention.
  • the width of the fastening groove 152 formed on the top surface of the battery case is larger than the width of the fastening groove 404 of FIG. 5.
  • FIG. 8 schematically illustrates a partial perspective view of an upper end of a battery cell according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 9 schematically illustrates a perspective view of an insulating mounting member mounted on an upper end of the battery cell of FIG. 7. have.
  • two straight type fastening grooves 164 and one cross type fastening groove 162 have a negative electrode terminal 120 at an upper surface of the battery case 110b. It is formed in a concave shape in the portion which does not interfere with the positive electrode terminal 130 and the electrolyte injection hole 122 which is a nickel clad.
  • the lower surface of the insulating mounting member 200a has a shape corresponding to the fastening grooves 162 and 164 of FIG. 8 and two straight fastening protrusions and one cross. Type fastening protrusion is formed.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically illustrating a secondary battery pack completed by the embodiment of FIG. 5.
  • the secondary battery pack 500a includes an insulating cap 400a, an outer film 140, and a lower cap (not shown) in a state in which a safety device and an insulating mounting member are mounted on an upper end of a battery cell.
  • the remaining portions except for the external input / output terminal portion are in an electrically insulated state from the outside.
  • the shape, position, and number of fastening grooves and corresponding fastening protrusions of the top surface of the battery cell may be variously applied and modified within the scope of the present invention based on the above contents.
  • the positive electrode was prepared by coating a slurry of lithium cobalt oxide, PVdF and a conductive material on an aluminum current collector in a generally known composition
  • the negative electrode was prepared by coating a slurry of graphite, PVdF and conductive material on a copper current collector in a generally known composition.
  • the electrode assembly was mounted inside a rectangular aluminum battery can. Covering the battery can lid and injecting the electrolyte through the injection hole to produce a battery cell.
  • the insulating mounting member After mounting the insulating mounting member on the top surface of the battery cell of the structure as shown in Figure 4 was connected to the protective element on the insulating mounting member. Next, in the state in which the adhesive was injected into the fastening groove formed on the top surface of the battery case, the insulating cap was mounted by coupling the fastening protrusion of the bottom surface of the insulating cap to the fastening groove.
  • the secondary battery pack as shown in FIG. 10 was completed by bonding the insulating lower cap to the lower end of the battery cell and wrapping the outer circumferential surface of the battery cell with an outer film.
  • Example 2 In the same manner as in Example 1 except that the fastening grooves and fastening protrusions were not formed on the top surface of the battery cell and the bottom surface of the insulating cap, respectively, to bond the battery cell and the insulating cap to each other by applying an adhesive.
  • the secondary battery pack was completed by the method.
  • Example 1 A bending test was performed on 20 battery packs manufactured in Example 1 and Comparative Example 1, respectively, and the bonding strength between the battery cell and the mounted insulating cap was measured (see FIG. 11). That is, in a state in which the insulating top cap and the bottom cap portion of the battery pack are fixed, the load applied to the middle portion of the battery pack is gradually increased, and the load magnitude when the battery pack is broken is shown in Table 1 below.
  • the battery according to the embodiments of the present invention can be seen that the bonding strength is significantly enhanced compared to Comparative Example 1.
  • the battery packs according to Comparative Example 1 are broken when a load of 35 kgf or less is applied, and most of them fail to withstand a load of 30 kgf, whereas the battery packs of Example 1 are broken when a load of 50 kgf or more is applied. In some cases it can be seen that it can withstand a load of 55 kgf.
  • the bonding between the battery cell and the insulating cap is broken when an impact exceeding the adhesive strength of the adhesive used is applied, whereas in the case of Example 1, a relatively small amount of adhesive or adhesive is not used. Even if the mechanical coupling between the plurality of fastening protrusions and the fastening groove can maintain a significantly increased coupling force.
  • Twist test was performed on the 20 battery packs manufactured in Example 1 and Comparative Example 1, respectively, and the bonding strength between the battery cell and the mounted insulating mounting member was measured (see FIG. 12). That is, while fixing the insulating top cap of the battery pack, the bottom cap was twisted by applying an external force in one direction. At this time, by increasing the external force to be applied gradually measured the magnitude of the external force when the break between the battery cell and the insulating cap mounted on the top is shown in Table 2 below.
  • the battery packs according to Comparative Example 1 are mostly broken when an external force of 25 kg ⁇ cm or less is applied, whereas the battery packs of Example 1 are broken when an external force of 40 kg ⁇ cm or more is applied.
  • Comparative Example 1 which forms a bond between the battery cell and the insulating cap by using only the adhesive, in the case of Example 1 is coupled through a mechanical coupling between the plurality of fastening projections and the fastening groove, in particular the torque is applied In this case, it can be seen that the binding force is significantly increased.
  • the secondary battery pack according to the present invention can greatly simplify the assembly process, and at the same time, there is an effect of maintaining a stable bonding strength between the battery cell and the insulating cap.

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀; 상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재; 및 안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡; 을 포함하고 있으며, 상기 전지케이스의 상단면에는 체결 그루브가 형성되어 있고, 상기 절연성 캡의 하단면에는 상기 체결 그루브에 대응하는 형상으로 체결 돌기가 형성되어 있으며, 상기 체결 돌기가 체결 그루브에 삽입되면서 전지셀에 대한 절연성 캡의 결합이 강화되는 이차전지 팩을 제공한다.

Description

이차전지 팩
본 발명은 이차전지 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀, 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재, 및 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며, 상기 전지케이스의 상단면에는 체결 그루브가 형성되어 있고, 상기 절연성 캡의 하단면에는 상기 체결 그루브에 대응하는 형상으로 체결 돌기가 형성되어 있으며, 상기 체결 돌기가 체결 그루브에 삽입되면서 전지셀에 대한 절연성 캡의 결합이 강화되는 구조의 이차전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
그러나, 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 리튬 이차전지에는 과충전 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 보호회로모듈(PCM)이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.
일반적으로 PCM을 포함하는 안전소자들은 전극단자와 전기적 접속을 유지하면서 동시에 전지셀의 다른 부분과는 전기적 절연상태를 유지하여야 한다. 따라서, 이러한 접속 형태를 구성하기 위해서는 절연성 장착부재가 요구되고, 전지셀과 절연성 장착부재 사이에 접착제를 도포하여 결합하는 방식이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 결합 방식은 전지 팩의 결합 강도를 약화시킨다는 단점이 있다. 이러한, 결합 강도의 약화는, 전지셀에 물리적 충격이 가해질 경우, 전기적 쇼트 등을 유발하여 발화 및 폭발 등 안전성에 문제를 일으킬 수 있다.
또한, 전지셀을 외부의 충격으로부터 보호하고 전지셀 상단에 장착되는 부재들에 대한 기계적 강도를 보완함과 동시에 전기적 절연상태를 유지하기 위해 안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 절연성 캡을 결합시키게 된다.
이 경우, 절연성 캡과 전지셀의 상단부를 접착하여 결합시키는 방식이 주로 사용되는 바, 이러한 결합 방식 역시 상기에서 언급한 전지셀과 절연성 장착부재의 결합 방식처럼 전지셀과 절연성 캡의 결합강도를 약화시키는 문제점이 있다.
따라서, 전지셀과 절연성 캡 사이의 안정적인 결합 강도를 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지셀과 상단에 탑재되는 절연성 캡 사이를 특정한 형태의 체결 구조를 통해 결합하는 것으로 이차전지 팩을 구성하는 경우, 조립 공정을 크게 간소화시킬 수 있으며, 동시에 안정적인 결합 강도를 유지할 수 있는 잇점을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 전지셀과 절연성 캡이 특정한 체결 구조를 통해 결합되는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 이차전지 팩은,
양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀;
상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재; 및
안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
을 포함하고 있으며,
상기 전지케이스의 상단면에는 체결 그루브가 형성되어 있고, 상기 절연성 캡의 하단면에는 상기 체결 그루브에 대응하는 형상으로 체결 돌기가 형성되어 있으며, 상기 체결 돌기가 체결 그루브에 삽입되면서 전지셀에 대한 절연성 캡의 결합이 강화되는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지 팩은, 전극조립체가 내장된 전지셀, 안전소자가 상부에 탑재되고 전지셀의 상단면에 밀착되는 절연성 장착부재, 및 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며, 전지셀의 상단면과 상기 절연성 캡 사이의 결합은 체결 그루브와 그에 대응하는 체결돌기의 상호 결합에 의해 이루어진다.
일반적으로 전지케이스에 대한 절연성 캡의 결합은 앞서 언급한 바와 같이 본질적으로 접착방식에 의해 달성되고, 이러한 결합 방식은 전지 팩의 결합 강도를 약화시키고, 전지 팩의 유지보수가 용이하지 않은 문제점이 있다.
이와는 달리, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 전지 케이스의 체결 그루브와 절연성 캡의 체결 돌기의 상호 기계적 결합에 의해 전지케이스에 대한 절연성 캡의 결합이 달성되므로, 제조공정이 간소하여 제조비 절감이 가능하며 유지보수가 용이한 장점이 있다.
또한, 가늘고 긴 형상의 홈으로 이루어진 전지케이스 상단면의 체결 그루브와 절연성 캡의 체결 돌기는 상호 접촉계면이 증가되어 상호간의 결합력을 더욱 강화시킬 수 있다.
상기 체결 그루브는 전지케이스의 상단 외주면과 평행한 상태에서 소정의 이격 거리를 가지고 형성되어 있을 수 있으며, 예를 들어, 체결 그루브는 전지셀의 상단에 위치한 돌출 전극단자, 전해액 주입구, 금속 클래드를 제외한 부위에서 부분 또는 전체 길이를 가지고 전지케이스의 상단면에 형성될 수 있다.
상기 구조에서 소정의 이격 거리는 앞서 언급한 바와 같이 전지셀의 상단에 위치한 돌출 전극단자, 전해액 주입구, 금속 클래드와 간섭되지 않는 부위에서, 예시적으로 전지셀 상단면의 폭을 기준으로 2 내지 10%의 크기로 이루어질 수 있다.
상기 체결 그루브는 평면상으로 얇고 긴 일자(一字)형 또는 이자(二字)형 형상으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 선로 형상인 이자형인 경우 절연성 캡의 체결 돌기와의 결합 계면이 일자형에 비해 증가하므로 바람직하다.
상기 체결 그루브는 절연성 캡의 체결 돌기와 용이하게 결합될 수 있는 깊이를 가지고 전지케이스의 상단면에 형성되어 있는 구조라면 특별한 제한은 없으나, 예를 들어, 전지케이스의 두께를 기준으로 10 내지 70 %의 깊이를 가지고 전지케이스의 상단면에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
체결 그루브가 전지케이스의 두께를 기준으로 10% 미만의 깊이를 가지는 경우 소망하는 전지케이스와 절연성 캡의 결합력을 확보하기 어렵고, 70%를 초과하는 깊이를 가지는 경우 전지케이스의 기계적 강도를 약화시키므로 바람직하지 않다.
상기 체결 돌기는 체결 그루브의 하단에 밀착될 수 있도록 체결 그루브의 깊이에 대응하는 크기를 가지고 절연성 캡의 하단면에 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전지케이스는 가공상의 용이성과 일정 수준 이상의 기계적 강도가 요구되므로, 금속 소재의 캔일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 캔일 수 있다.
상기 절연성 장착부재는 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로서 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성의 소재로 구성된다. 본 발명의 하나의 실시예로서, 상기 절연성 장착부재는 전지셀의 상단면 보다 작은 크기를 가지며, 중앙에 전지셀의 제 1 전극단자가 노출되는 제 1 개구와, 상기 제 1 개구로부터 소정의 이격거리에 전지셀의 케이스 상단면의 일부(제 2 전극단자)가 노출되는 제 2 개구가 형성되는 것으로 구성되어 있다. 또한, 상기 절연성 장착부재의 양측 단부는 안전소자의 장착공간을 확보하기 위해서 소정의 높이로 상향 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 절연성 장착부재는 전지셀의 상단면 보다 작은 크기를 가지고 있으므로, 절연성 장착부재를 전지셀의 상단면에 장착한 상태에서 절연성 캡은 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단면과 용이하게 결합될 수 있다.
상기 안전소자는 전지의 과충전, 과방전 및 과전류를 제어하는 보호회로를 포함하고 있는 모듈(PCM: Protection Circuit Module)과, 장방형의 모듈 하단에 장착되어 있는 보호회로와 전기적으로 연결되어 있는 한 쌍의 접속부재를 포함하는 것으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 PTC 소자, 퓨즈, 및 보호회로 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것으로 구성될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 안전소자는 PTC 소자 및 보호회로 기판이며, PTC 소자의 일측 단부를 전지셀의 제 1 전극단자에 연결한 후 타측 단자를 보호회로 기판에 연결하며, 전지셀의 제 2 전극단자를 보호회로 기판에 연결하는 구조일 수 있다.
예를 들어, 상기 PTC 소자와 보호회로 기판의 전기적 연결(a) 및 전지셀의 제 2 전극단자와 보호회로 기판의 전기적 연결(b)은 가변성의 접속부재에 의해 수행하는 것으로 구성될 수 있다. 특히, 상기 보호회로 기판에 전기적 연결(a)을 위한 접속부재와 전기적 연결(b)을 위한 접속부재를 각각 결합시킨 후, 상기 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 각각 결합시키는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 접속부재는 가변성의 전도성 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 니켈 플레이트일 수 있다.
상기 보호회로 기판을 전지셀의 상단면에 대략 90도 이상의 각도로 위치시킨 상태에서 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 결합시킨 후, 가변성 접속부재들을 절곡하여 보호회로 기판이 전지셀의 상단면에 평행하게 절연성 장착부재 상에 탑재될 수 있도록, 상기 접속부재들은 절곡 부위가 동일한 일 측면을 향하도록 보호회로 기판에 결합되는 구조일 수 있다.
예를 들어, 판상형의 보호회로 모듈(PCM)을 전지셀의 상단면에 대해 수직 방향으로 위치시킨 상태에서, 니켈 플레이트들을 전극단자에 스팟 용접으로 결합시킨 후, 보호회로 모듈이 전지셀의 상단면에 평행하게 절연성 장착부재 상에 탑재될 수 있도록 상기 니켈 플레이트들을 절곡하여 결합하는 구조일 수 있다.
상기 체결 그루브와 체결돌기의 결합은 전지셀에 대해 길이 방향으로 이루어지기 때문에, 전지셀에 대한 수직방향의 충격에 비해 길이방향의 장력에 대해서는 상대적으로 취약할 수 있다. 따라서, 상기 체결 그루브에 접착제를 주입한 상태에서, 상기 체결돌기를 결합시킴으로써 이러한 취약점을 보완할 수 있다.
경우에 따라서는, 체결부재에 의한 결합력을 보완하기 위하여, 전지셀의 상단면 또는 절연성 캡의 하단면에 접착제를 추가로 부가할 수도 있음은 물론이다.
상기 절연성 캡은 전지셀 상에 장착된 상태에서 그것의 적어도 일부가 전지셀의 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되는 구조일 수 있다.
예를 들어, 상기 절연성 캡의 하향 연장부는 전지셀의 상단부 외측면에 접착 방식 또는 기계적 체결 방식으로 결합되어 있는 구조일 수 있다.
전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡 이외에 하단부에도 별개의 절연성 캡(하단 캡)이 장착되는 구조일 수 있으며, 상기 전지셀의 전지케이스 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 구조일 수 있다. 이를 통해 외부 충격으로부터 전지셀을 보호하고 전기적 절연상태를 유지할 수 있다.
바람직하게는 상기 외장 필름은 절연성 캡의 하향 연장부를 감싸는 구조로 부착되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 팩은, 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용가능하며, 바람직하게는 각형의 리튬 이차전지 셀일 수 있다.
본 발명은 또한, 전지케이스와 절연성 장착부재 사이의 결합력이 향상된 이차전지 팩을 제공한다. 구체적으로 상기 이차전지 팩은,
양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀;
상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재; 및
안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
을 포함하고 있으며,
상기 전지케이스의 상단면에는 적어도 하나의 체결 그루브가 형성되어 있고, 상기 절연성 장착부재의 하단면에는 상기 체결 그루브에 대응하는 형상으로 체결 돌기가 형성되어 있으며, 상기 체결 돌기가 체결 그루브에 삽입되면서 전지셀에 대한 절연성 장착부재의 결합이 이루어지는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 전지케이스 상단면의 체결 그루브와 절연성 장착부재의 체결 돌기는 상호 접촉계면이 증가되어 상호간의 결합력을 더욱 강화시킬 수 있다.
상기 구조에서, 체결 그루브는 절연성 장착부재의 체결 돌기와 결합이 강화되는 구조이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어 평면상으로 일자(一字)형, 십자(十字)형, 또는 타원형 형상으로 이루어져 있어서, 상호간의 결합 계면을 더욱 증가시킬 수 있다.
이 경우, 상기 체결 그루브는 전지케이스의 상단면으로부터 상향으로 노출되어 있는 전극단자의 상단면에 형성되어 있을 수 있으며, 구체적으로는 전지케이스의 상단면에 위치한 돌출 전극단자, 전해액 주입구, 금속 클래드와 간섭되지 않는 부위에 형성될 수 있다.
경우에 따라서는, 절연성 캡의 결합을 위한 체결 그루브와 절연성 장착부재의 결합을 위한 체결 그루브가 전지케이스 상단면에 함께 형성될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지셀 상단에 대한 부분 사시도이다;
도 3은 도 1의 전지셀 상단부에 탑재되는 절연성 장착부재의 사시도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 상단에 대한 부분 사시도이다;
도 5는 도 4의 전지셀 상단에 절연성 캡을 장착한 상태를 나타내는 부분 모식도이다;
도 6은 도 4의 전지셀 상단에 도 5의 절연성 캡을 장착한 상태를 나타내는 사시도이다;
도 7은 본 발명의 변형예에 따른 전지셀 상단에 절연성 캡을 장착한 상태를 나타내는 부분 모식도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 상단에 대한 부분 사시도이다;
도 9는 도 7의 전지셀 상단에 장착되는 절연성 장착부재의 사시도이다;
도 10은 도 5의 실시예에 의해 완성된 이차전지 팩에 대한 사시도이다;
도 11은 본 발명의 실험예 1에 대한 실험과정을 나타낸 사진이다;
도 12는 본 발명의 실험예 2에 대한 실험과정을 나타낸 사진이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 구체적으로 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지셀 상단에 대한 부분 사시도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1의 전지셀 상단부에 탑재되는 절연성 장착부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 이차전지 팩(500)은, 전지셀(100), 절연성 장착부재(200), 안전소자로서의 보호회로 기판(310) 및 PTC 소자(320), 절연성의 상/하단 캡(400, 410), 및 외장 필름(140)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
전지셀(100)은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 각형 금속 캔의 내부에 밀봉되어 있는 구조이며, 전지셀(100)의 상단면에는 절연성 장착부재(200)와의 결합을 위한 오목한 형태의 일자형 체결 그루브들(110)이 형성되어 있다.
절연성 장착부재(200)는 전지셀(100)의 전극단자들(120, 130)이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 양측 단부는 안전소자로서의 보호회로 기판(310)과 PTC 소자(320)가 그것의 상부에 안정적으로 탑재될 수 있도록 소정의 높이로 상향 돌출되어 있으며, 전지셀(100)의 상단면에 직접 밀착되도록 장착된다. 또한, 절연성 장착부재(200)의 하단면에는 전지셀(100) 상단면의 체결 그루브(110)에 대응하는 일자형 체결돌기들(210)이 형성되어 있다.
절연성 캡(400)은 안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(200)를 감싸면서 전지셀(100)의 상단부에 결합되며, 전지셀(100)의 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되어 있고, 상단면 일측에는 A/S 라벨(420)이 부착된다.
전지셀(100)의 하단에는 하단 캡(410)이 접착성의 하단 캡 테이프(411)에 의해 장착되고, 전지셀(100)의 외주부는 절연성의 외장 필름(140)으로 감싸게 된다.
도 2 및 도 3을 통해 도 1의 전지셀의 상단부와 상기 상단부에 장착되는 절연성 장착부재에 대해 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 전지셀(100)의 상단면은 중앙에 돌출단자로의 음극단자(120)가 형성되어 있고, 전지케이스 자체가 양극을 형성하며, 음극단자(120)는 절연성 부재(121)에 의해 전기적으로 절연되어 있다. 따라서, 소정 부위에 니켈 클래드(clad)를 부착하여 양극단자(130)를 형성하며, 절연성 장착부재(도 1의 200)의 체결돌기들(도 3의 210)과 결합할 수 있도록, 전지셀 상단면에는 체결 그루브들(110)이 형성되어 있다.
도 3을 참조하면, 절연성 장착부재(200)는 전지셀(100)의 상단면보다 작은 크기를 가지고 있으며, 중앙에는 전지셀(100)의 음극단자(도 2: 120)가 노출되는 제 1 개구(201)와, 제 1 개구(201)로부터 소정의 이격거리에 전지셀(100) 상단면의 일부(양극단자; 도 2의 130)가 노출되는 제 2 개구(202)가 각각 형성되어 있다. 양측 단부(220)는 안전소자가 탑재될 수 있는 공간을 확보하기 위해 소정의 높이로 상향 돌출되어 있다.
또한, 절연성 장착부재(200)의 하단에는 전지셀(100) 상단에 형성되어 있는 체결 그루브들(도 2: 110)에 대응하는 체결돌기들(210)이 형성되어 있으며, 이러한 체결돌기들(210)은 전지셀(100) 상단면의 체결 그루브들(110)과 결합하여 기계적 체결 구조를 이루게 된다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 상단에 대한 부분 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 가늘고 길다란 형상의 체결 그루브(150)가 전지셀 상단면의 폭(W)을 기준으로 2%의 크기인 이격 거리(w)를 가지고 전지케이스(110a)의 상단 외주면과 평행한 상태에서 전체적으로 선로형상을 가지고 전지 케이스(110a)의 상단면에 형성되어 있다.
또한, 체결 그루브(150)는 전지케이스의 상단면에 위치한 음극단자(120), 니켈 클래드인 양극단자(130), 및 전해액 주입구(122)와 간섭되지 않는 부위에 오목형으로 형성되어 있다.
도 5에는 도 4의 전지셀 상단에 절연성 캡을 장착한 상태를 나타내는 부분 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 4의 전지셀 상단에 도 5의 절연성 캡을 장착한 상태를 나타내는 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 절연성 캡(400a)은 하단면에 도 4의 체결 그루브(150)에 대응하는 형상으로 체결 돌기(406)가 이자(二字)형으로 전지셀 상단면의 길이방향(L)으로 형성되어 있다.
또한, 체결 그루브(404)는 전지케이스의 두께(D)를 기준으로 대략 50%의 깊이(d)를 가지고 전지케이스의 상단면에 형성되어 있다.
도 6을 도 5와 함께 참조하면, 절연성 캡(400a)의 체결돌기(406)는 안전소자(도시하지 않음)가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(도 1: 200)를 감싸면서 전지셀(100a)의 상단면에 형성된 체결 그루브(404)와 결합하면서 상호 기계적 체결을 이루게 된다.
도 7에는 본 발명의 변형예에 따른 전지셀 상단에 절연성 캡을 장착한 상태를 나타내는 부분 모식도가 도시되어 있다.
도 7을 도 5와 함께 참조하면, 전지케이스의 상단면에 형성된 체결 그루브(152)의 폭은 도 5의 체결 그루브(404)의 폭보다 큰 크기로 형성되어 있다.
도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 상단에 대한 부분 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 9에는 도 7의 전지셀 상단에 장착되는 절연성 장착부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
먼저 도 8을 참조하면, 2 개의 일자(一字)형 체결 그루브들(164)과 1개의 십자(十字)형 체결 그루브(162)가 전지케이스(110b)의 상단면에서 음극단자(120), 니켈 클래드인 양극단자(130), 및 전해액 주입구(122)와 간섭되지 않는 부위에 오목형으로 형성되어 있다.
다음으로 도 9를 참조하면, 절연성 장착부재(200a)의 하단면에는 도 8의 체결 그루브들(162, 164)에 대응하는 형상으로 2개의 일자(一字)형 체결돌기와 1개의 십자(十字)형 체결돌기가 형성되어 있다.
도 10에는 도 5의 실시예에 의해 완성된 이차전지 팩에 대한 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 이차전지 팩(500a)은 전지셀의 상단부에 안전소자, 절연성 장착부재를 탑재한 상태에서, 절연성 캡(400a), 외장 필름(140), 및 하단 캡(도시하지 않음)에 의해, 외부 입출력 단자부를 제외한 나머지 부분은 외부와 전기적으로 절연상태에 있게 된다.
또한, 상기 전지셀 상단면의 체결 그루브와 그에 대응하는 체결돌기의 형상, 위치, 및 개수는 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
양극은 일반적으로 알려진 조성으로 리튬 코발트 산화물, PVdF 및 도전재의 슬러리를 알루미늄 집전체 위에 코팅하여 제조하였고, 음극은 일반적으로 알려진 조성으로 흑연, PVdF 및 도전재의 슬러리를 구리 집전체 위에 코팅하여 제조하였다.
상기 양극과 음극 사이에 이들 보다 다소 큰 크기로 재단된 분리막을 개재시켜 전극조립체를 제작한 후, 각형의 알루미늄 전지 캔 내부에 상기 전극조립체를 장착하였다. 전지 캔 뚜껑을 덮고 주입구를 통해 전해액을 주입하여 전지셀을 제작하였다.
도 4에서와 같은 구조의 전지셀의 상단면에 절연성 장착부재를 장착한 후 절연성 장착부재 상에 보호소자를 연결하였다. 다음으로 전지케이스의 상단면에 형성한 체결 그루브에 접착제를 주입한 상태에서, 절연성 캡 하단면의 체결돌기를 상기 체결 그루브에 결합함으로써 절연성 캡을 탑재하였다.
그런 다음, 절연성 하단 캡을 전지셀의 하단에 결합하고 외장 필름으로 전지셀의 외주면을 감쌈으로써 도 10에서와 같은 이차전지 팩을 완성하였다.
[비교예 1]
상기 전지셀의 상단면과 절연성 캡의 하단면에 각각 체결 그루브와 체결돌기를 형성하지 않은 상태에서, 접착제 만을 도포하여 전지셀과 절연성 캡을 결합시켰다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지 팩을 완성하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 20 개의 전지팩들에 대해 굴곡 테스트(bending test)를 실시하여 전지셀과 탑재된 절연성 캡간의 결합 강도를 측정하였다(도 11 참조). 즉, 전지팩의 절연성 상단 캡과 하단 캡 부분을 고정한 상태에서, 전지팩의 중간부에 가해지는 하중을 단계적으로 증가시켜, 전지팩이 파단될 때의 하중 크기를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure PCTKR2009005868-appb-I000001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 각 실시예들에 따른 전지는 비교예 1에 비하여 결합력이 현저하게 강화된 것을 확인할 수 있다.
즉, 비교예 1에 의한 전지팩들은 35 kgf 이하의 하중이 가해지면 파단되고 그 중 대부분은 30 kgf의 하중도 견디지 못하고 파단되는데 반하여, 실시예 1의 전지팩들은 50 kgf 이상의 하중이 가해져야 파단되며 경우에 따라서는 55 kgf 의 하중에도 견딜 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 비교예 1의 경우에 전지셀과 절연성 캡 간의 결합은 사용되는 접착제의 접착력을 초과하는 충격이 가해지면 파단됨에 반하여, 실시예 1의 경우에는 상대적으로 적은 량의 접착제 혹은 접착제를 사용하지 않은 경우라 하더라도 다수의 체결돌기와 체결 그루브 간의 기계적 결합을 통해 현저하게 상승된 결합력을 유지할 수 있기 때문이다.
[실험예 2]
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 20 개의 전지팩들에 대해 트위스트 테스트(twist test)를 실시하여 전지셀과 탑재된 절연성 장착부재간의 결합 강도를 측정하였다(도 12 참조). 즉, 전지팩의 절연성 상단 캡을 고정한 상태에서, 하단 캡을 한쪽 방향으로 외력을 가하여 비틀었다. 이 때, 가해주는 외력을 점진적으로 증가시켜 전지셀과 상부에 탑재된 절연성 캡 사이가 파단될 때의 외력의 크기를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
<표 2>
Figure PCTKR2009005868-appb-I000002
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 각 실시예들에 따른 전지는 비교예 1에 비하여 결합력이 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있다.
즉, 비교예 1에 의한 전지팩들은 대부분 25 kg·cm 이하의 외력이 가해지면 파단되는데 반하여, 실시예 1의 전지팩들은 40 kg·cm 이상의 외력이 가해져야 파단됨을 확인할 수 있다. 이는 접착체 만을 사용하여 전지셀과 절연성 캡 간의 결합을 형성하는 비교예 1에 비하여, 실시예 1의 경우에는 다수의 체결돌기와 체결 그루브 간의 기계적 결합을 통해 결합하기 때문이며, 특히 비트는 힘이 가해지는 경우에는 현저하게 상승된 결합력을 갖게 됨을 확인할 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 조립 공정을 크게 간소화시킬 수 있으며, 동시에 전지셀과 절연성 캡의 안정적인 결합 강도를 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀;
    상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재; 및
    안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
    을 포함하고 있으며,
    상기 전지케이스의 상단면에는 체결 그루브가 형성되어 있고, 상기 절연성 캡의 하단면에는 상기 체결 그루브에 대응하는 형상으로 체결 돌기가 형성되어 있으며, 상기 체결 돌기가 체결 그루브에 삽입되면서 전지셀에 대한 절연성 캡의 결합이 강화되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 체결 그루브는 전지케이스의 상단 외주면과 평행한 상태에서 소정의 이격 거리를 가지고 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 이격 거리는 전지셀 상단면의 폭을 기준으로 2 내지 10%의 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 체결 그루브는 평면상으로 얇고 긴 일자(一字)형 또는 이자(二字)형 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 체결 그루브는 전지케이스의 두께를 기준으로 2 내지 50 %의 깊이를 가지고 전지케이스의 상단면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 체결 돌기는 체결 그루브의 깊이에 대응하는 크기를 가지고 절연성 캡의 하단면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 캔인 것을 특징으로 하는이차전지 팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재는 전지셀의 상단면보다 작은 크기를 가지며 중앙에 전지셀의 제 1 전극단자가 노출되는 제 1 개구와, 상기 제 1 개구로부터 소정의 이격거리에 전지셀의 케이스 상단면의 일부(제 2 전극단자)가 노출되는 제 2 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재의 양측 단부는 소정의 높이로 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 안전소자는 PTC 소자, 퓨즈, 및 보호회로 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  11. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 안전소자는 PTC 소자 및 보호회로 기판이며, PTC 소자의 일측 단부를 전지셀의 제 1 전극단자에 연결한 후 타측 단자를 보호회로 기판에 연결하며, 전지셀의 제 2 전극단자를 보호회로 기판에 연결하는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 체결 돌기를 삽입하기 전에 상기 체결 그루브에 접착제를 주입하는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 캡은 전지셀 상에 장착된 상태에서 그것의 적어도 일부가 전지셀의 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스의 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 외장 필름은 절연성 캡의 하향 연장부를 감싸는 구조로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형의 리튬 이차전지 셀인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  17. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀;
    상기 전지셀의 전극단자들이 노출될 수 있도록 개구가 형성되어 있고, 안전소자가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 상단면에 직접 밀착되는 절연성 장착부재; 및
    안전소자가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
    을 포함하고 있으며,
    상기 전지케이스의 상단면에는 적어도 하나의 체결 그루브가 형성되어 있고, 상기 절연성 장착부재의 하단면에는 상기 체결 그루브에 대응하는 형상으로 체결 돌기가 형성되어 있으며, 상기 체결 돌기가 체결 그루브에 삽입되면서 전지셀에 대한 절연성 장착부재의 결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 체결 그루브는 평면상으로 일자(一字)형, 십자(十字)형, 또는 타원형 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 체결 그루브는 전지케이스의 상단면으로부터 상향으로 노출되어 있는 전극단자의 상단면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
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