(57)【要約】【課題】電池の落下、外部衝撃の印加時にも、電極組立体の移動を抑制して内部短絡を防止することで、一層向上した安全性を有する電池セルを提供する。【解決手段】正極／分離膜／負極構造の電極組立体が電池ケース（セルケース）の収納部に装着された電池セルであり、前記収納部に電極組立体が装着された状態で電極組立体の上端境界面に対応するセルケースの部位に、電極組立体の上端面を加圧して上方移動を防止できる微細グルーブが前記電極組立体の上端面と平行に連続的に形成された電池セルを構成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極／分離膜／負極構造の電極組立体が電池ケース（セルケース）の収納部に装着された電池セルであって、
前記収納部に電極組立体が装着された状態で電極組立体の上端境界面に対応するセルケースの部位には、電極組立体の上端面を加圧して上方移動を防止できる微細グルーブが、前記電極組立体の上端面と平行に連続的に形成されることを特徴とする、電池セル。
【請求項２】
前記収納部に電極組立体が装着された状態で電極組立体の下端境界面に対応するセルケースの部位にも、前記グルーブが電極組立体の下端面と平行に連続的に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項３】
前記微細グルーブの深さが、０．５〜１．５mmであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項４】
前記微細グルーブが、垂直断面で湾入型半円構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項５】
前記湾入型半円構造の微細グルーブが、０．３〜３mmの曲率半径（Ｒ）で形成されることを特徴とする、請求項３に記載の電池セル。
【請求項６】
前記セルケースが、樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の電池セルをパックケースの内部に装着した構造の電池パック。
【請求項８】
前記パックケースの内面と電池セルの微細グルーブとの間には、前記微細グルーブによる冷媒流路が形成されることを特徴とする、請求項７に記載の電池パック。
【請求項９】
前記パックケースの内面が、電池セルの微細グルーブに対応する構造からなることを特徴とする、請求項７に記載の電池パック。
【請求項１０】
前記電池セルが、リチウム二次電池であることを特徴とする、請求項７に記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が電池ケース（セルケース）の収納部に装着された電池セルに関するもので、一層詳細には、収納部に電極組立体が装着された状態で電極組立体の上端境界面に対応するセルケースの部位に、電極組立体の上端面を加圧して上方移動を防止できる微細グルーブが前記電極組立体の上端面と平行に連続的に形成された電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するにつれて、エネルギー源としての電池の需要が急激に増加しており、それによって多様な要求に相応できる電池に対する研究が大いに行われている。
【０００３】
代表的に、電池の形状面では、薄い厚さを有して携帯電話などの製品に適用される角形二次電池及びパウチ型二次電池に対する需要が高く、電池の材料面では、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの長所を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのリチウム二次電池に対する需要が高い。
【０００４】
また、二次電池は、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が如何なる構造であるかによって分類されるが、代表的には、長いシート状の正極と負極を分離膜の介在状態で巻き取った構造のジェリーロール（巻き取り型）電極組立体、所定大きさの単位で切り取った多数の正極と負極を分離膜の介在状態で順次積層したスタック型（積層型）電極組立体、所定単位の正極と負極を分離膜の介在状態で積層したバイセルまたはフルセルを巻き取った構造のスタック／フォルディング型電極組立体などが挙げられる。
【０００５】
最近は、スタック型またはスタック／フォルディング型電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が、低い製造費用、小さい重量、容易な形態変形などの理由で大いなる関心を集めており、その使用量が徐々に増加している。
【０００６】
図１は、従来の代表的なパウチ型二次電池の一般的な構造を示した分解斜視図である。
【０００７】
図１に示すように、パウチ型二次電池１０は、電極組立体３０と、電極組立体３０から延長された電極タップ４０，５０と、電極タップ４０，５０に溶接された電極リード６０，７０と、電極組立体３０を収容する電池ケース２０とを含んで構成されている。
【０００８】
電極組立体３０は、分離膜の介在状態で正極と負極が順次積層された発電素子であり、スタック型またはスタック／フォルディング型構造からなる。電極タップ４０，５０は、電極組立体３０の各極板から延長されており、電極リード６０，７０は、各極板から延長された複数個の電極タップ４０，５０と溶接などによって電気的に連結されており、その一部が電池ケース２０の外部に露出されている。また、電極リード６０，７０の上下面一部には、電池ケース２０との密封度を高めると同時に、電気的絶縁状態を確保するために絶縁フィルム８０が付着されている。
【０００９】
電池ケース２０は、アルミニウムラミネートシートからなり、電極組立体３０を収容できる空間を提供し、全体的にパウチ形状を有している。図１に示した積層型電極組立体３０の場合、多数の正極タップ４０と多数の負極タップ５０が電極リード６０，７０に結合されるように、電池ケース２０の内部上端が電極組立体３０から離隔されている。
【００１０】
図２は、図１の二次電池において、正極タップが密集形態で結合されて正極リードに連結された電池ケースの内部上端を示した断面拡大図で、図３は、図１の二次電池の組立て状態を示した正面透視図である。
【００１１】
これら図面に示すように、電極組立体３０の正極集電体４１から延長されて突出された多数の正極タップ４０は、溶接などによって一体に結合された溶着部の形態で正極リード６０に連結される。この正極リード６０は、正極タップ４０溶着部が連結された対向端部６１の露出状態で電池ケース２０によって密封される。多数の正極タップ４０が一体に結合されて溶着部を形成することで、電池ケース２０の内部上端は、電極組立体３０の上端面から所定の長さだけ離隔されており、溶着部の正極タップ４０は、略Ｖ字状に折り曲げられている。したがって、電極タップと電極リードとの結合部位をＶ―フォーミング（Ｖ―ｆｏｒｍｉｎｇ）部位とも称する。
【００１２】
しかしながら、上記のようなＶ―フォーミング部位は、電池がその上端、すなわち正極リード６０側に落下したり、電池の上端に物理的な外力が加えられる場合、電極組立体３０が電池ケース２０の内面上端に移動したり、または、電池ケース２０の上端が押さえ付けられることで、電極組立体３０の負極が正極タップ４２または正極リード６０と接触して内部短絡を誘発しうるので、電池の安全性が大いに低下してしまう。
【００１３】
したがって、上記のような問題点を根本的に解決できる方案として、本発明では、電池ケース収納部のうち、前記電極組立体の上端境界面に対応する電池ケース部位を所定の形態に変形した構造を提示している。
【００１４】
これと関連して、電池ケースの一面に溝部を設置する一部の技術が知られている。一例として、日本登録特許第３７３０９８１号は、放熱性を向上させるために、電極組立体を取り囲む電池ケースの少なくとも一面に多数の凸部を設置し、凸部の内部をそれぞれ充填剤で充填する構造を開示している。この技術によれば、複数の凸部によって電池ケースのフィルム表面積を増加させて放熱性を向上させ、この凸部に充填剤を充填して形状を安定的に維持できるが、外力が電極組立体の電極タップ方向に作用するとき、電極組立体の上方移動による電池の内部短絡を防止できないことが確認された。
【００１５】
また、日本特許出願公開第２００１―０５７１７９号は、電池ケースの膨張を抑制して電池ケースの変形を防止するために、電池ケースの少なくとも一面に溝部底または凸部がＸ字状などの線状パターンを形成する二次電池の構造を開示している。すなわち、上記の技術は、明細書に開示されたように、相互交差する線状パターンが構造的に梁効果を発揮して電池ケースの全体的な強度を増加させることで、電池ケースの膨張による変形を防止する構成を提示している。しかしながら、上記の技術は、線状パターンがＸ字状のように交差構造をなすときのみに所定の効果を得られ、電池ケースとして実質的に金属缶のみに適用可能であり、シート型の電池ケースでは実効性が低いという問題点を有する。また、構造的に梁効果を発揮するためには、線状パターンが相当な程度に深く形成されるべきであるが、このような工程によれば、特に線状パターンの交差部位で電池ケースの機械的強度を大いに毀損させる可能性が高い。
【００１６】
したがって、実際に製造工程上の困難さがなく、電極組立体の移動による短絡などを予防できる技術に対し、その必要性が高まりつつある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び技術的課題を解決することを目的とする。
【００１８】
本出願の発明者たちは、深度ある研究及び多様な実験を繰り広げた結果、電極組立体の上端部と電極タップとの境界面に対応するセルケースの部位に、微細グルーブを前記電極組立体の上端面と平行に連続的に形成した構造によれば、実際の製造工程で容易に実現可能であり、さらに、電極組立体の上方移動防止及び落下などの外部衝撃による内部短絡を防止して安全性を向上できることを確認し、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る電池セルは、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が電池ケース（セルケース）の収納部に装着された電池セルであり、前記電池ケースの収納部に電極組立体が装着された状態で電極組立体の上端境界面に対応するセルケースの部位には、電極組立体の上端面を加圧して上方移動を防止できる微細グルーブが前記電極組立体の上端面と平行に連続的に形成された構造となっている。
【００２０】
電池の落下、外部衝撃の印加などによる内部短絡は、電池の爆発または発火の主な原因として作用する。その理由は、落下または衝撃印加時に電極組立体が移動しながら正極と負極が接触し、この接触抵抗部での通電電流によって高い抵抗熱が発生するためである。前記抵抗熱によって電池の内部温度が臨界値以上に上昇すると、正極活物質の酸化物構造が崩壊して熱暴走現象が発生することで、電池の発火または爆発が発生することになる。
【００２１】
その反面、本発明に係る電池セルにおいて、電極組立体は、セルケースの所定部位に形成された微細グルーブによって電極組立体が安定的に定位置を維持した状態でセルケース内に内蔵されているので、電池が落下したり、外部衝撃が加えられる場合も、電極組立体内で電極タップの移動が抑制されて上記のような内部短絡を防止することで、結果として電池の安全性を向上させることができる。
【００２２】
さらに、前記微細グルーブは、電極タップと電極組立体との境界面に対応するセルケースの部位に電極組立体の上端面を加圧して形成されるので、電池の容量及び作動に寄与しない部位を効果的に活用できるという長所も有する。
【００２３】
また、上記のような微細グルーブは、電極タップと電極組立体との境界面に対応するセルケースの部位に電極組立体の上端面と平行に連続的に形成されるので、上述した従来技術のように電池ケースの外面に複数の凸溝部を形成したり、凸部を線状パターンに変形する形態よりも遥かに容易に形成することができる。
【００２４】
場合によって、前記微細グルーブを、前記収納部に電極組立体が装着された状態で電極組立体の下端境界面に対応するセルケースの部位にも、前記電極組立体の下端面と平行に連続的に形成する場合、電極組立体をセルケース収納部に一層安定的に固定することができる。すなわち、電極組立体の上端境界面と下端境界面にそれぞれ微細グルーブを形成し、セルケースの収納部に対する電極組立体の安定的な固定状態を確保することで、外部衝撃及び落下などによる電極組立体の移動可能性を著しく低下させることができる。
【００２５】
前記電極組立体は、多数の電極タップを相互連結して正極と負極を構成する構造であれば、特別に制限されるものでなく、スタック型構造とスタック／フォルディング型構造が好ましい。スタック／フォルディング型構造の電極組立体に対する詳細な内容は、本出願人の韓国特許出願公開第２００１―００８２０５８号、第２００１―００８２０５９号及び第２００１―００８２０６０号に開示されており、上記の出願は、本発明の内容に参照として組み込まれる。
【００２６】
本発明の微細グルーブは、電極タップと電極組立体との境界面に対応するセルケースの部位に形成された構造であれば、その深さが特別に制限されることはないが、０．５〜１．５mmの深さで形成することが好ましい。
【００２７】
微細グルーブの深さが０．５mmより深くない場合、電極組立体の上方移動を防止することが容易でなく、微細グルーブの深さが１．５mmより深い場合、微細グルーブを形成するために電池ケースを加工するとき、電池ケースの破裂をもたらすので好ましくない。
【００２８】
一つの好ましい例として、前記微細グルーブは、垂直断面でセルケースの内側面方向に形成された緩慢な湾入型半円構造である。このような湾入型半円構造は、微細グルーブを形成するために電池ケースを加工するときに電池ケースの破裂現象を抑制することができ、構造的にも優れた形態維持性を有している。前記湾入型半円構造の曲率半径は、０．５〜３mmであることが好ましい。
【００２９】
本発明に係る電池セルにおいて、前記セルケースは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなることが好ましく、具体的には、アルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに電極組立体が装着される収納部を形成したパウチ型ケースである。このようなラミネートシートのセルケースは、収納部上に電極組立体を装着した後、熱融着などによって密封される。
【００３０】
本発明に係る電池セルは、リチウム二次電池であることが好ましく、特に、リチウム含有電解液がゲルの形態で電極組立体に含浸されているリチウムイオンポリマー電池に好ましく適用される。
【００３１】
また、本発明は、前記電池セルをパックケースの内部に装着した電池パックを提供する。
【００３２】
一般的に、電池セルは、セルケースの機械的剛性を補完し、電池セルの外部に装着及び搭載される各種素子を安定的に位置設定するために、パックケースに内蔵された電池パックの形態で使われる。
【００３３】
電池セルの外面に形成された長くかつ凹状の微細グルーブは、電池セルの外面がパックケースの内面に接触するとき、所定の離隔空間を提供するので、この離隔空間は、電池セルの放熱を助ける冷媒流路としても使われる。
【００３４】
一つの好ましい例として、パックケース内部での電池セル移動によってもたらされる短絡の可能性を低下させるために、パックケースの内面は、電池セルの微細グルーブに対応する構造となっている。具体的に、電池セルの微細グルーブに対応する微細突出部をパックケースの内面に形成し、電池セルとパックケースとの密着力を高めることができる。したがって、電池セル外面の微細グルーブとパックケース内面の微細突出部とが噛み合うことで、外力の印加時にも電池セルの安定的な装着を確保することができる。
【００３５】
上記のような微細突出部は、電極組立体の下端境界面に対応するセルケースの部位に微細グルーブが形成された場合も、この微細グルーブに対応してパックケースの内面に形成される。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る電池セルは、電池の落下、外部衝撃の印加時にも、電極組立体の移動を抑制して内部短絡を防止することで、一層向上した安全性を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の一つの実施例を図面に基づいて説明するが、この実施例は、本発明を容易に理解するためのものに過ぎなく、本発明の範疇がこれによって限定されることはない。
【００３８】
図４は、本発明の一つの実施例に係る二次電池において、正極タップが密集形態で結合されて正極リードに連結された電池ケースの内部上端を示した断面拡大図で、図５は、電極組立体の上端境界面に対応するセルケースの部位に微細グルーブを形成した二次電池の組立て状態を示した正面透視図である。
【００３９】
これら図面に示すように、パウチ型二次電池は、電極タップ１４０が電極リード１２０に溶接された電極組立体１５０と、この電極組立体１５０を収容可能なセルケース１３０と、電極組立体１５０の上端部と電極タップ１４０との間の境界面に対応するセルケース１３０の部位に形成された微細グルーブ１１０とから構成されている。
【００４０】
微細グルーブ１１０は、収納部１６０に電極組立体１５０が装着された状態で電極組立体１５０の上端境界面に対応するセルケース１３０の部位に、電極組立体１５０の上端面を加圧できるように電極組立体１５０の上端面を基準にして平行に連続的に形成される。
【００４１】
微細グルーブ１１０は、垂直断面で０．５mm以上の曲率半径Ｒを有する略半円の湾入型構造であり、０．５〜１．５mmの深さｔで形成される。
【００４２】
上記のような微細グルーブ１１０によって、電極組立体１５０が電池ケース１３０の該当部位で安定的な定位置状態を維持できるので、電池が電極リード１２０方向に落下したり、当該方向に外力が加えられる場合も、電極組立体１５０内で電極タップ１４０の上方移動を抑制して電極タップ１４０と電極リード１２０との内部短絡を防止することができる。これと共に、微細グルーブ１１０によって電池ケース１３０の表面積が拡大されるので、優れた放熱特性を有する。
【００４３】
場合によって、図６に示すように、電極組立体１５０の下端部境界面に対応するセルケース１３０の部位にも、電極組立体１５０の下端面を基準にして平行に連続的に微細グルーブ１１２が形成されており、この微細グルーブ１１２と上部の微細グルーブ１１０との複合的な作用によって、電極組立体１５０が電池ケース１３０に一層安定的に固定される。
【００４４】
図７は、本発明の一つの実施例に係る電池パックにおいて、微細グルーブが形成された電池セルとそれに対応するパックケースとの密着部位を示した断面拡大図である。
【００４５】
図７に示すように、電池セル１００においては、セルケース１３０の該当部位に上述した微細グルーブ１１０が形成されており、パックケース２００には、微細グルーブ１１０に対応する微細突出部２１０が形成されている。電池セル１００の微細グルーブ１１０とパックケース２００の微細突出部２１０とが互いに噛み合うことで、外力の印加時にも、電池セル１００は、パックケース２００の内部で安定的な装着状態を維持することができる。
【００４６】
パックケース２００に微細突出部２１０が形成されない場合、微細グルーブ１１０によって、電池セル１００とパックケース２１０との間に所定の離隔空間Ｓが形成されるが、この離隔空間Ｓは、一種の冷媒流路として使われることで、電池セル１００の放熱を助けることができる。
【００４７】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明してきたが、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様に応用及び変形可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来のパウチ型二次電池の一般的な構造を示した分解斜視図である。
【図２】図１の二次電池において、正極タップが密集形態で結合されて正極リードに連結された電池ケースの内部上端を示した断面拡大図である。
【図３】図１の二次電池の組立て状態を示した正面透視図である。
【図４】本発明の一つの実施例に係る正極タップが密集形態で結合されて正極リードに連結された電池ケースの内部上端を示した断面拡大図である。
【図５】本発明の一つの実施例に係る二次電池の組立て状態を示した正面透視図である。
【図６】本発明の他の実施例に係る二次電池の組立て状態を示した正面透視図である。
【図７】本発明の一つの実施例に係る電池パックにおいて、微細グルーブが形成された電池セルとそれに対応するパックケースとの密着部位を示した断面拡大図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１０  微細グルーブ
１２０  電極リード
１３０  セルケース
１４０  電極タップ
１５０  電極組立体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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