本出願は、2015年04月15日付けの韓国特許出願第2015−0052877号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、ホットメルティング固定構造を用いた電池パックの製造方法及びそれを使用して製造される電池パックに関する。

モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加に伴い、二次電池の需要もまた急増しており、その中でも、エネルギー密度と作動電圧が高く、保存と寿命特性に優れたリチウム二次電池は、各種モバイル機器はもとより、様々な電子製品のエネルギー源として広く使用されている。

二次電池は、それが使用される外部機器の種類に応じて、挿入と離脱が自在な着脱式構造で使用されたり、外部機器の内部に埋め込まれる形態の内蔵型構造で使用されたりする。例えば、ノートパソコンのようなデバイスは、ユーザの必要によって電池の挿入及び離脱が可能である一方、一部の携帯電話、MP3(MPEG Audio Layer−3)、タブレットPC、スマートパッドなどのようなデバイスは、その構造及び容量の問題により内蔵型電池パックの使用が要求されることもある。

一方、リチウム二次電池には各種可燃性物質が内蔵されているため、過充電、過電流、その他の物理的な外部衝撃などによって発熱、爆発などの危険性があるため、安全性において大きな欠点を有している。したがって、リチウム二次電池には、過充電、過電流などの異常な状態を効果的に制御できる安全素子として、PTC(Positive Temperature Coefficient)素子、保護回路モジュール(Protection Circuit Module:PCM)などが電池セルに接続されている。

このような二次電池は、小さい大きさ及び重量で製造されることが好ましいため、容量に比べて重量が小さい角型電池、パウチ型電池などが二次電池の電池セルとして主に使用されている。特に、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材として使用するパウチ型電池は、重量が小さく、製造コストが低いなどの利点によって最近多くの関心を集めている。

前記のようにパウチ型電池セルを使用して電池パックを構成する場合、通常、ケースに電池セルを装着した状態で電池セルの電極にPCMを接続して固定し、ケースの外面にラベルを貼り付けて電池パックを製造した。このとき、前記ケースは、例えば、電池セルの外面を取り囲む上部カバー及び下部カバーの組立構造、または電池セルの角部を固定するフレーム構造などが使用された。

しかし、よりコンパクトで且つ構造的安定性が向上した電池セルに対する必要性が高まっており、フレームの代わりに、ホットメルティング方式を通じて電池セルの外周を覆う方法が使用されるのに至った。

具体的に、図1には、従来のホットメルティング方式において使用される金型の構造を模式的に示した断面図が示されている。

図1を参照すると、金型110内に電池セル130を配置した後、金型の上部及び下部にそれぞれ形成された射出口120にホットメルト樹脂を注入する方法を通じて、電池セルの外周を樹脂で覆うようになる。

その後、外周が樹脂により覆われた電池セル130を金型110から取り出した後、図示していないが、PCB及びPCBを装着するPCMケースに収納したPCMを、電池セルの収納部の外面及び熱融着余剰部(テラス)上に両面テープなどを用いて搭載することによって、電池パックを組み立てた。

しかし、前記のような方法を用いる場合、射出口を介して注入されるホットメルト樹脂が遠くに分散されないため、射出物の不良率が高くなるという問題があり、前記樹脂が射出口から可能な限り遠くに分散されるようにするために高い圧力を加えると、高圧成形によって電池セルに衝撃が加わるという問題があった。

また、両面テープによるPCMの装着は、外部衝撃などによって不安定になりやすいという問題があり、両面接着テープ、下部ケース、PCMホルダーのような部品の使用による追加的な工程コストが発生するようになった。

したがって、このような問題点を解決して、工程の不良率を低下させ、耐久性の向上及びコスト低減の効果があると共に、電池容量を極大化することができる電池パックの製造技術に対する必要性が高いのが実情である。

本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。

具体的に、本発明の目的は、ホットメルティング方式において、金型に存在する射出口を適切に配置し、その個数を増加させることによって、別途の部材なしにもPCBを電池セルに安定的に装着するだけでなく、ホットメルト樹脂の流動性を向上させながらも低圧の成形を可能にして、ホットメルティング過程で射出不良率が減少した電池パックを提供することである。

このような目的を達成するための、本発明に係る電池パックの製造方法は、 樹脂層と金属層を含むラミネートシートの電池ケースに電極組立体及び電解液が内蔵されている電池セルを含む電池パックを製造する方法であって、 (a)保護回路が形成されている保護回路基板(PCB)の電極端子接続部に電池セルの電極端子を電気的に接続する過程; (b)PCBの上部に上部ケースを結合させる過程; (c)PCBが電極組立体収納部の外壁に平行な構造となるように、電池セルの電極端子が位置する上部シーリング部を折り曲げて、上部ケースが結合されたPCBを電池セルの上端に搭載する過程; (d)電池セルの外周エッジ(peripheral edge)に対応する部位にホットメルト(hot−melt)樹脂を注入できる射出口が2つ以上形成されている金型内に、互いに結合された上部ケース、PCB及び電池セルを位置させる過程; (e)射出口にホットメルト樹脂を注入して、上部ケース、PCB及び電池セルと金型との間の空間にホットメルト樹脂を充填するホットメルティング(hot−melting)を行う過程;及び (f)金型から取り出してラベルで覆う過程; を含むことを特徴とする。

このとき、前記過程(b)において、PCBの上面に形成されている外部入出力端子が、上部ケースに形成されている開口を介して露出するように、上部ケースをPCBの上部に結合することができる。

ここで、前記シーリング部は、電極組立体が電池ケースに密封されるときに形成される密封された外周面のうち一面に形成された余分な空間を持つ部位を意味し、これは、本技術分野における通常の知識を有する当業者に自明であるので、具体的な説明は省略する。

また、前記外周エッジは、従来の電池セルを装着するためのフレームに代えて、電池セルの外周を取り囲むエッジを意味するものである。

一具体例において、前記金型は、ホットメルティングのために、互いに結合される下部金型及び上部金型を含んでおり、前記下部金型及び上部金型のうち少なくとも1つには、互いに結合された上部ケース、PCB及び電池セルの外形に対応する構造が刻印されていてもよく、詳細には、前記下部金型に刻印されていてもよい。

また、射出口の形成位置は限定されず、上部金型及び/又は下部金型に形成されてもよいが、詳細には、下部金型に形成されていてもよい。

すなわち、本発明に係る電池パックの製造方法は、互いに結合された上部ケース、PCB及び電池セルを、下部金型と上部金型との間に配置した後に、下部金型と上部金型を互いに結合し、金型に形成されている射出口にホットメルト樹脂を注入する過程を通じて、電池セルに外周エッジを形成することによって電池パックを製造することができる。

一方、上述したように、従来のホットメルティングを用いた電池パックの製造方法では、金型に形成されている射出口の数が多くないため、ホットメルト樹脂が金型内に均一に拡散することが難しいだけでなく、ホットメルト樹脂を注入するときに高い圧力が要求されるため、これによる外周エッジの高圧成形時、電池セルに衝撃が加わるという問題が存在した。

そこで、本出願の発明者らが鋭意実験と研究を重ねた結果、上記問題点を解決するための射出口の数は最小8個であることが好ましいことを確認した。したがって、詳細には、本発明の金型に射出口が8個以上形成されていてもよい。

具体的に、既存のPCMケースなしにPCBを電池セルに安定に固定装着するために、PCBが位置した電池セルの上部に外周エッジを厚く形成できるように、金型内の電極端子が位置している側である金型の上部に射出口が2つ以上形成されていてもよく、または、下部ケースなしにも電池セルの下端を密封すると同時に電池セルを固定させるための外周エッジが電池セルの下端に形成され得るように、前記金型の下部に射出口が2つ以上形成されていてもよく、または、既存の電池セルに存在していた両側面のフレームなしにも外部の衝撃から電池セルを保護するための外周エッジが電池セルの側面に形成され得るように、前記金型の両側部の中心に射出口がそれぞれ形成されていてもよく、詳細には、前記部位のうちの2つ以上に射出口が形成されていてもよい。また、前記効果を全て発揮できるように、前記金型の全ての部位に射出口が形成されていてもよい。

さらに、金型内でホットメルト樹脂が移動するとき、移動の妨げになり得る金型の屈曲部分を通過しないように、前記金型の外周角部(peripheral corner)にも、射出口のうちの少なくとも1つが形成されていてもよく、詳細には、全ての外周角部に射出口がそれぞれ形成されていてもよい。ここで、外周角部は、前記金型の隣接する2つの外周辺が交わる接点を意味する。

このとき、前記射出口間の離隔距離は10mm〜15mmであってもよい。

前記範囲を外れ、前記射出口間の離隔距離が10mm未満の場合、金型内の射出口の数が多くなりすぎるため、製造工程が複雑になり、製造コストが増加するという問題があり、一方、射出口間の離隔距離が15mmを超える場合、ホットメルト樹脂の移動距離が増加してしまい、本発明の所望の効果を達成することが難しい。

結果的に、本発明に係る電池パックの製造方法は、従来技術に比べて、射出口間の間隔が狭くなり、射出口を金型に効果的に配置できるようになるため、ホットメルト樹脂の流動性が増加し、外周エッジの低圧成形が可能であるという効果がある。

一方、本願発明の製造方法によれば、前記過程(e)から、ホットメルティングによって、電池セルの外周エッジの形成だけでなく、PCBが電池セルの上部に固定されることもできる。

したがって、本発明に係る電池パックの製造方法は、前記のような金型によってホットメルティングを行う工程のみで、上部ケース、PCB及び電池セルを結合することができるところ、PCBを電池セルに搭載するためのPCMケース、電池セルを装着するためのフレーム、電池セルの下端を密封するための下部ケースなどの部材が要求されないため、電池パックを製造するのに必要な部品数が大幅に減少して、製造コストの低減、及び省略された部品の体積だけ電池セルの大きさを増加させて電池容量を最大化する効果も提供する。

本発明において、前記ホットメルティングで注入される樹脂(resin)は、特に限定されるものではないが、従来のホットメルトタイプの電池パックに比べて、コストを低減しながらも、電池セルとPCBを安定に固定させ得る水準の物性を有するものが好ましく、詳細には、ポリアミド(Polyamide)系列の樹脂からなる群から選択される1つ以上であってもよい。

前記ポリアミド系列の樹脂は、通常、−40℃〜125℃で耐えることができ、耐熱性及び耐寒性に非常に優れ、硬化時間が短いため射出を通じて作業可能であるだけでなく、低温低圧射出を通じて作業時間もまた減少させることができるので、大量生産しやすいところ、より好ましく使用することができる。

また、前記ホットメルティングが行われる温度は180℃〜200℃であってもよい。

前記範囲を外れ、ホットメルティングが行われる温度が180℃未満の場合、ホットメルティングを通じて形成される外周エッジの強度が所望の水準に達することが難しいという問題があり、一方、ホットメルティングが行われる温度が200℃を超える場合、電池セルに過度な熱が加えられて損傷が発生し得る。

さらに、前記ホットメルティングが行われる圧力は1Bar〜3Barであってもよい。

前記範囲を外れ、ホットメルティングが行われる圧力が1Bar未満の場合、ホットメルト樹脂が金型内に所望の距離だけ分散することが難しいという問題があり、一方、ホットメルティングが行われる圧力が3Barを超える場合、電池セルに過度な圧力が加えられて損傷が発生し得る。

一具体例において、前記電池セルは、金属層と樹脂層を含むラミネートシートのケースに電極組立体を内蔵した後、外周面をシーリングした構造からなることができ、その形状において、板状型の長方形構造からなることができる。

また、前記電池パックは、デバイスに対して着脱自在な着脱式電池パックであってもよい。

本発明はまた、前記方法により製造された電池パックを提供する。

本発明はまた、前記電池パックを電源として含んでいるデバイスを提供し、前記デバイスの具体例としては、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、タブレットPC、及びネットブックなどを挙げることができるが、これに限定されるものではない。

従来のホットメルティング方式において使用される金型の構造を模式的に示した断面図である。

本発明の一実施例に係る上部ケース、電池セル、及びPCBの相互結合方法を示した模式図である。

図2の方法により互いに結合された上部ケース、電池セル、及びPCBの構造を示した模式図である。

図3の結果物を本発明の一実施例に係る金型に配置した構造を模式的に示した断面図である。

図4の金型にホットメルト樹脂を注入する過程を模式的に示した断面図である。

図5に示された過程の後に金型から取り出し、ラベルで覆う過程を模式的に示した断面図である。

図2乃至図6の過程を通じて製造された電池パックを示した斜視図である。

図4の下部金型の構造を模式的に示した断面図である。

実施例1によって製造された電池パックを示した写真である。

比較例1によって製造された電池パックを示した写真である。

以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。

図2には、本発明の一実施例に係る上部ケース、電池セル、及びPCBの相互結合方法を示した模式図が示されており、図3には、図2の方法により互いに結合された上部ケース、電池セル、及びPCBの構造を示した模式図が示されており、図4には、図3の結果物を本発明の一実施例に係る金型に配置した構造を模式的に示した断面図が示されており、図5には、図4の金型にホットメルト樹脂を注入する過程を模式的に示した断面図が示されており、図6には、図5に示された過程の後に金型から取り出し、ラベルで覆う過程を模式的に示した断面図が示されており、図7には、図2乃至図6の過程を通じて製造された電池パックを示した斜視図が模式的に示されている。

図2乃至図7を参照すると、本発明に係る電池パック200の製造方法を順次理解することができる。

まず、図2及び図3に示したように、電池セル300の電極端子320を保護回路が形成されている保護回路基板(PCB)400の電極端子接続部410に電気的に接続し、PCB400の上部に上部ケース500を結合させる過程を行う。このとき、PCB400の上面に形成されている外部入出力端子が、上部ケース500に形成されている開口510を介して露出するように、上部ケース500をPCB400の上部に結合する。

その後、PCB400が電極組立体収納部の外壁に平行な構造となるように、電池セルの電極端子320が位置する上部シーリング部310を折り曲げて、上部ケース500が結合されたPCB400を電池セル300の上端に搭載する過程を行う。

このように組み立てられた上部ケース500、PCB400及び電池セル300を、図4に示したように、電池セル300の外周エッジ330に対応する部位にホットメルト樹脂を注入できる射出口211が2つ以上形成されている金型内に位置させる過程を行う。このとき、金型は、ホットメルティングのために、互いに結合される下部金型210及び上部金型220を含んでおり、下部金型210に射出口211が形成されており、図示していないが、下部金型210及び上部金型220のうち少なくとも1つには、互いに結合された上部ケース、PCB及び電池セルの外形に対応する構造が刻印されている。

そして、図5に示したように射出口211にホットメルト樹脂を注入して、上部ケース500、PCB400及び電池セル300と金型210との間の空間にホットメルト樹脂を充填するホットメルティング過程を行う。このとき、前記ホットメルティング過程によって、PCB400は電池セル300の上部に固定される。

最後に、図6及び図7に示したように、金型210から前記構成を取り出してラベル600で覆う過程を行うことによって、電池パック200を製造する。

すなわち、本発明に係る電池パック200の製造方法は、互いに結合された上部ケース500、PCB400及び電池セル300を下部金型210と上部金型220との間に配置した後に、下部金型210と上部金型220を互いに結合し、下部金型210に形成されている射出口211にホットメルト樹脂を注入する過程を通じて、電池セル300に外周エッジを形成することによって電池パック200を製造することができる。

このように製造された電池パック200は、PCB400を電池セル300に搭載するためのPCMケース、電池セルを装着するためのフレーム、電池セルの下端を密封するための下部ケースなどの部材が要求されないため、電池パックを製造するのに必要な部品数が大幅に減少して、製造コストの低減、及び省略された部品の体積だけ電池セルの大きさを増加させて電池容量を最大化する効果を提供する。

また、ホットメルティングを行う工程のみで、上部ケース500、PCB400及び電池セル300を結合できるので、製造工程性が向上する効果を提供する。

一方、下部金型210の構造をより具体的に説明するために、図8には、図4の下部金型210の構造を模式的に示した断面図が示されている。

具体的に、図8を図6及び図7と共に参照すると、下部金型210に射出口211が8個形成されており、具体的には、下部金型210内の電極端子が位置している側である下部金型の上部210aに3個の射出口211が形成されており、下部金型の下部210bに3個の射出口211が形成されており、下部金型の両側部210cの中心に射出口211がそれぞれ形成されている。

すなわち、下部金型210に射出口211を全ての部位に形成することによって、既存のPCMケースなしにPCBを電池セルに安定に固定装着するために、PCBが位置した電池セルの上部に外周エッジを厚く形成することができ、下部ケースなしにも電池セル300の下端を密封すると同時に電池セル300を固定させるための外周エッジ330を電池セル300の下端に形成することができ、既存の電池セルに存在していた両側面のフレームなしにも外部の衝撃から電池セル300を保護するための外周エッジ330を電池セル300の側面に形成することができる効果がある。

また、下部金型の全ての外周角部212に射出口211をそれぞれ有することによって、金型内でホットメルト樹脂が移動するとき、金型の屈曲部分を通過しなくなるため、移動性が向上することになる。

このとき、射出口211間の離隔距離d,d’は10mm〜15mmの範囲内であってもよい。

前記範囲を外れ、射出口211間の離隔距離d,d’が10mm未満の場合、下部金型210内の射出口211の数が多くなりすぎるため、製造工程が複雑になり、製造コストが増加するという問題があり、一方、射出口211間の離隔距離d,d’が15mmを超える場合、ホットメルト樹脂の移動距離が増加してしまい、本発明の所望の効果を達成することが難しい。

結果的に、本発明に係る電池パック200の製造方法は、従来技術に比べて、射出口211間の間隔が狭くなり、射出口211を下部金型210に効果的に配置できるようになるため、ホットメルト樹脂の流動性が増加し、外周エッジ330の低圧成形が可能となった。

以下、実施例を参照して本発明をさらに詳述するが、以下の実施例は本発明を例示するためのものであり、本発明の範疇がこれらに限定されるものではない。

<実施例1> 互いに結合された電池セルとPCMと上部ケースとを、射出口が8個形成されている金型に位置させた後に、ホットメルト樹脂として、ポリアミド系列の樹脂であるLocal 630 Resin(Austromelt)を使用して、温度190℃、圧力2Barの条件下でホットメルティングを行い、その後、射出物を金型から取り出してラベルで覆うことによって、電池パックを製造した。

製造された電池パックの写真を図9に示した。

<比較例1> PCMケースを含むPCMを両面接着テープを用いて電池セルの外面に付着させ、PCMの上部に上部ケースを結合し、電池セルの下端に下部ケースを結合する。

前記のように結合された電池セル、PCM、PCMケース、両面接着テープ、上部ケース及び下部ケースを、射出口が2個形成されている金型に位置させた後に、ホットメルト樹脂として、ポリアミド系列の樹脂であるBostic TH8671を使用して、温度190℃、圧力2Barの条件下でホットメルティングを行い、その後、射出物を金型から取り出してラベルで覆うことによって、電池パックを製造した。

製造された電池パックの写真を図10に示した。

図10に示された電池パックの写真を説明すると、比較例1で製造された電池パックは、射出後、電池パックの側面部にホットメルト樹脂が完全に充填されないことによって未成形が発生したり、上部にホットメルト樹脂があふれ出るオーバーフロー(overflow)現象が発生してしまい、寸法異常の問題が発生することになる。

これに反して、図9に示された電池パックの写真を説明すると、実施例1で製造された電池パックは、ホットメルト樹脂が完全に充填され、オーバーフロー現象も発生しないため、寸法異常の問題が発生しない。

以上で説明したように、本発明に係る電池パックの製造方法は、ホットメルティング方式を通じて、上部ケース、PCB及び電池セルを別途の両面テープ、PCMケースのような部材なしに一度に結合することによって、工程性の向上及び部品の減少によるコスト低減の効果を有する。また、本発明に係る電池パックの製造方法は、射出口を2つ以上形成することによって、ホットメルト樹脂の移動性を向上させ、金型内の充填性の向上及び射出物の不良率減少の効果を提供し、低圧の外周エッジの成形が可能であるので、ホットメルティング時に電池セルに加わる衝撃が最小化される効果を提供する。さらに、ホットメルトによる固定構造を使用することによって、電池パックの耐久度が向上する効果を提供する。それだけでなく、電池セルを装着するためのフレームとホットメルトを共に使用していた既存のフレームホットメルトタイプの電池パックの製造方法と比較して、電池セルの両側面のフレームをなくすことによって、それに対応する分だけ電池セルの大きさが増加し得るため、電池容量を向上させる効果もある。

本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。

上述したように、本発明に係る電池パックの製造方法は、ホットメルティング方式を通じて、上部ケース、PCB及び電池セルを別途の両面テープ、PCMケースのような部材なしに一度に結合することによって、工程性の向上及び部品の減少によるコスト低減の効果を有する。また、本発明に係る電池パックの製造方法は、射出口が2つ以上形成されている金型を使用することによって、金型内のホットメルト樹脂の移動性を向上させ、金型内の充填性の向上及び射出物の不良率減少の効果を提供し、低圧の外周エッジの成形が可能であるので、ホットメルティング時に電池セルに加わる衝撃が最小化される効果を提供する。さらに、ホットメルトによる固定構造を使用することによって、電池パックの耐久度が向上する効果を提供する。それだけでなく、電池セルを装着するためのフレームとホットメルトを共に使用していた既存のフレームホットメルトタイプの電池パックの製造方法と比較して、電池セルの両側面のフレームをなくすことによって、それに対応する分だけ電池セルの大きさが増加し得るため、電池容量を向上させる効果もある。