KR100225580B1 - 전지의 와인딩 어셈블리 - Google Patents

전지의 와인딩 어셈블리

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KR100225580B1
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전주범
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Abstract

와인딩 어셈블리의 애노드 리드를 전지 케이스의 바닥면에 스팟 용접할 때, 용접봉이 중심부에 돌출된 세퍼레이터에 의하여 방해를 받지 않고 용이하게 와인딩 어셈블리의 중심 부를 통하여 삽입됨으로써, 전지가 신속하고 용이하게 제조될 수 있는 와인딩 어셈블리가 개시된다. 상기 와인딩 어셈블리는 세퍼레이터, 애노드 시트, 세퍼레이터, 그리고 캐소드 시트 순으로 적층된 적층물을 와인딩 튜브 위에 감아서 제조한다. 상기 와인딩 튜브에는 상기 적층물의 일단을 삽입한 후 감을 수 있도록 그 길이 방향을 따라 슬릿이 형성된다. 또한, 상기 와인딩 튜브는 전지의 전해액에 부식되지 않도록 내부식성 재질로 제조된다. 스팟 용접시에 용접봉이 상기 와인딩 튜브의 내부를 통하여 삽입되어 용접이 행하여지므로, 와인딩 어셈블리의 중심부에 돌출된 세퍼레이터의 방해를 받지 않고 용접이 용이하게 이루질 수 있다.

Description

전지의 와인딩 어셈블리
본 발명은 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬 전지의 와인딩 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로 캠코더 등과 같은 휴대용 전자 제품에는 휴대 및 장착이 용이한 리튬 전지가 전기 공급원으로서 널리 사용된다. 이러한 리튬 전지는 리튬을 애노드 활성 물질로 사용하고, 이산화망간을 캐소드 활성 물질로 사용한다. 또한, 프로필렌 카보네이트를 함유한 비수용성 용매에 무기 전해질을 용해한 전해액을 사용한다.
도1은 종래의 리튬 전지의 분해 사시도이다. 도1에 도시한 바와 같이, 통상적인 리튬 전지는 케이스(90)를 포함한다. 케이스(90)의 상부에는 절곡부(92)가 형성되며, 절곡부(92) 아래에는 전해액(60)이 충전된다. 상기 전지는 전해액(60)과 케이스 내에 내장된 와인딩 어셈블리(5)의 화학 반응에 의하여 전류를 발생시키며, 발생된 전류는 애노드 리드(22)와 캐소드 리드(12)를 통하여 캠코더 등의 부하에 인가된다.
도2는 도1의 리튬 전지가 조립된 상태를 보여 준다. 도2에 나타낸 바와 같이, 애노드 리드(22)는 절곡되어 케이스(90)의 바닥면과 접촉한다. 케이스(90)의 상부에는 그 중앙부에 관통공(75)이 형성된 커버(74)가 제공된다. 캐소드 리드(12)는 절곡되어 커버(74)와 접촉한다. 커버(74)에는 내부에 알루미늄 호일(72)과 플라스틱으로 이루어진 링 플레이트(70)가 제공된다. 상기 알루미늄 호일(72)은 전해액(60)이 폭발할 때 발생하는 가스를 외부로 배출하는 역할을 수행한다. 커버(74)의 위에는, 전해액의 온도가 반응열로 인하여 일정 온도 이상으로 상승할 때 그 저항이 무한대가 됨으로써 전류의 흐름을 차단하는 피티씨 소자(76)가 제공된다. 피티씨 소자(76)의 위에는 캐소드(10)의 접점 역할을 하는 캡(78)이 제공된다. 또한, 상기 캡(78), 피티씨 소자(76), 및 커버(74)를 에워쌈으로써 전지의 내부를 밀봉하기 위하여 가스켓(80)이 구비된다. 상기 케이스(90)는 통전 가능한 금속재로 되어 있으며, 상기 애노드(20)와 접촉되어 애노드(20)의 접점 역할을 수행한다. 케이스(90)의 상단은 가스켓(80)을 고정하기 위하여 내부로 절곡된다.
도3은 종래의 와인딩 어셈블리를 개략적으로 보여준다. 도1과 도3을 참조하여, 캐소드(10)는 망상 또는 슬릿이 형성된 시트(slitted sheet) 형상의 얇은 금속망으로 구성되는 익스펜디드 메탈로 제조되는 캐소드 시트(10A)를 포함한다. 상기 익스펜디드 메탈의 양면에는 리튬 전지의 전해액과 반응하기 위한 캐소드 활성 물질이 부착된다. 캐소드 활성 물질은 이산화망간과 탄소를 혼합하여 제조된다. 상기 캐소드 활성 물질은 접착제에 의하여 캐소드 시트(10A)에 접착된다. 캐소드 활성 물질이 부착된 캐소드 시트(10A)는 일정한 두께를 갖도록 로울러로 압축된 후, 소정 크기의 직사각형으로 절단된다.
다음으로, 캐소드 리드(12)가 상기 캐소드 시트(10A)에 부착되어 캐소드(10)가 완성되고, 금속 리튬 시트를 이용하여 애노드 시트(20A)가 제조된다. 세퍼레이터(30)는 다공성 폴리 프로필렌과 같은 올레핀계 폴리머의 부직포로 제조된다. 세퍼레이터(30)의 위에는 애노드 시트(20A)가 적층되며, 상기 애노드 시트(20A)의 위에는 다시 세퍼레이터(30)와 캐소드 시트(10A)가 차례로 적층된다. 상기 세퍼레이터(30), 애노드 시트(20A), 세퍼레이터(30), 및 캐소드 시트(10A)의 순으로 적층된 적층물을 감음(winding)으로써 와인딩 어셈블리(5)가 제조된다.
상기 와인딩 어셈블리(5)는 케이스(90)에 충전된 전해액(60)과 화학적으로 반응하여 전류를 생성한다. 리튬 전지에서 높은 전압을 얻을 수 있도록 전해액(60)과 와인딩 어셈블리(5)와의 반응 면적을 넓히기 위하여, 상기 와인딩 어셈블리(5)는 외측으로 감겨 그 단면이 나선 구조를 갖는다.
이와 같은 제조 과정으로 완성된 와인딩 어셈블리(5)는, 도1에 도시된 바와 같이, 캐소드 리드(12)와 애노드 리드(22)가 각각 와인딩 어셈블리(5)의 위와 아래로 돌출하는 구조를 갖는다. 다음으로, 애노드 리드(22)는 와인딩 어셈블리(5)의 그 중심선을 향하여 약 90도 절곡되고, 와인딩 어셈블리(5)는, 도2에 나타낸 바와 같이, 케이스(90) 내에 삽입된다. 다음으로, 와인딩 어셈블리(5)의 중앙부에 형성된 구멍을 통하여 용접봉을 삽입하여 애노드 리드(22)를 케이스(90)의 바닥면에 스팟 용접한다.
상기 스팟 용접 후, 캐소드 리드(12)는 링 플레이트(170)와 접촉할 수 있도록, 90도 이하의 각도로 와인딩 어셈블리(5)의 중심선을 향하여 절곡되고, 상기 와인딩 어셈블리(5)의 위에는 링 플레이트(70), 알루미늄 호일(72), 그리고 커버(74)가 차례로 적층된다. 커버(74)의 위에는 피티씨 소자(76)와 캡(78)이 적층된다. 또한, 상기 캡(78), 피티씨 소자(76), 및 커버(74)를 에워싸고, 이들과 케이스(90)의 내벽 사이를 밀봉하기 위하여 가스켓(80)이 그 사이에 끼워진다. 상기 가스켓(80) 위에는 캡(78)이 놓여진 후, 상기 적층된 캡(78), 피티씨 소자(76) 및 커버(74)와 케이스(90)의 내벽 사이를 밀봉할 수 있도록, 가스켓(80)을 고정하기 위하여 상기 케이스(90)의 상단은 내부로 절곡된다.
따라서, 전지 내에서 전해액(60)과 와인딩 어셈블리(5)와의 화학 반응에 의하여 전류가 발생되고, 발생된 전류는 애노드 리드(22)와 캐소드 리드(12)를 통하여 부하에 인가된다
하지만, 상기 와인딩 어셈블리에 있어서, 도1에 나타낸 바와 같이, 어셈블리가 감겨 완성된 후 그 중앙에 형성된 구멍에 애노드를 에워싸는 세퍼레이터의 일부가 S자형 또는 L자형으로 돌출하는 경우가 생긴다. 이러한 경우, 스팟 용접 시 용접봉이 상기 구멍에 삽입되는데 방해가 되며, 따라서 스팟 용접이 양호하게 이루어질 수 없게 된다. 이러한 문제점은 기존의 수동에 의한 전지 제조 과정에서뿐만 아니라, 자동화된 스팟 용접 과정에서 더욱 문제시되어 왔다. 자동화된 스팟 용접 시에, 상기 와인딩 어셈블리의 구멍에 돌출하는 세퍼레이터를 제거하는 과정을 추가하여 상기 문제점을 해결하기도 하나, 이는 제조 과정을 복잡하게 하고, 제조 비용을 증가시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 애노드 리드를 케이스의 바닥면에 용이하게 스팟 용접할 수 있는 와인딩 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 와인딩 어셈블리는 전지의 케이스 내에 내장되고, 전지의 전해액과 화학 반응하여 전류를 생성시키는 캐소드 활성 물질이 그 양면에 부착되는 제1메탈 시트, 그리고 상기 제1메탈 시트에 부착되며, 전지의 캡에 전기적으로 연결되는 캐소드 리드를 포함하는 캐소드; 상기 제1메탈 시트와 대응하는 제2메탈 시트, 그리고 상기 제2메탈 시트에 부착되며, 전지 케이스의 바닥면에 연결되는 애노드 리드를 포함하는 애노드; 상기 제2메탈 시트를 감싸도록 상기 제2메탈 시트의 상하면에 각각 제공되어 상기 제1메탈 시트와 제2메탈 시트를 분리하며, 상기 캐소드가 그 중 상부의 것 위에 적층되는 한 쌍의 세퍼레이터; 그리고 상기 세퍼레이터, 애노드, 세퍼레이터, 및 캐소드 순으로 적층된 적층물을 그 외주면 위에 감기 위한 와인딩 튜브;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 제1메탈 시트의 재질은 알루미늄이고, 상기 활성 물질은 이산화망간과 탄소의 혼합물이며, 상기 제2금속 시트의 재질은 메탈 리튬이다.
또한, 상기 와인딩 튜브에는 상기 적층물의 일단을 삽입할 수 있도록 그 길이 방향을 따라 슬릿이 형성되며, 상기 와인딩 튜브는 내부식성 재질로 제조된다.
상기 와인딩 튜브에 의하여, 와인딩 어셈블리의 애노드 리드를 전지 케이스의 바닥면에 스팟 용접할 때, 용접봉이 중심부에 돌출된 세퍼레이터에 의하여 방해를 받지 않고 용이하게 와인딩 어셈블리의 중심부를 통하여 삽입됨으로써, 전지가 신속하고 용이하게 제조될 수 있다.
도1은 종래의 리튬 전지의 분해 사시도이다.
도2는 도1의 리튬 전지가 조립된 상태를 보여주는 단면도이다.
도3은 도1의 리튬 전지에 사용되는 와인딩 어셈블리를 보여주는 분해 사시도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 와인딩 어셈블리를 보여주는 분해 사시도이다.
도5는 도4의 완성된 상태의 와인딩 어셈블리를 보여주는 사시도이다.
도6은 도5의 와인딩 어셈블리가 전지 내에 내장된 상태를 보여주는 단면도이다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
110 : 캐소드110A : 캐소드 시트
112 : 캐소드 리드120 : 애노드
120A : 애노드 시트 122 : 애노드 리드
130 :세퍼레이터140 : 와인딩 튜브
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예을 상세히 설명한다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 와인딩 어셈블리를 보여주는 분해 사시도이다. 도4에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 와인딩 어셈블리(100)는 캐소드(110), 애노드(120), 세퍼레이터(130), 그리고 와인딩 튜브(140)를 포함한다. 또한, 캐소드(110)와 애노드(120)는 각기 캐소드 시트(110A)와 애노드 시트(120A)를 포함한다. 상기 애노드 시트(120A)의 상하에는 세퍼레이터(130)가 제공되며, 상부 세퍼레이터(130) 위에 캐소드 시트(110A)가 위치한다.
캐소드 시트(110A)는 망상 또는 슬릿된 시트(netted or slitted sheet) 형상의 익스펜디드 메탈을 사용하여 제조된다. 상기 익스펜디드 메탈은 알루미늄 시트를 이용하여 제조된다. 캐소드 시트(110A)의 양면에는 캐소드 활성 물질이 부착된다. 상기 캐소드 활성 물질이 전지의 전해액(160)과 화학 반응을 함으로써 전류가 생성된다. 캐소드 활성 물질은 이산화망간과 탄소를 혼합하여 제조된다. 상기 캐소드 활성 물질은 접착제에 의하여 캐소드 시트(110A)에 부착된다. 캐소드 활성 물질이 부착된 캐소드 시트(110A)는 일정한 두께가 되도록 로울러로 압축된 후, 소정의 크기로 절단된다.
애노드 시트(120A)는 시트 형상의 메탈 리튬으로 제조된다. 상기 애노드 시트(120A)는 대응하는 캐소드 시트(110A)의 크기와 거의 되도록 직사각형 형상으로 절단되어 제조된다.
캐소드 리드(112)가 통전 가능하게 부착될 수 있도록, 상기 캐소드 시트(110A)에 부착된 캐소드 활성 물질 중의 일부가 제거된다. 캐소드 리드(122)는 직사각형의 얇은 메탈 시트이며, 상기 제거된 부분에 용접 등에 의하여 부착된다.
세퍼레이터(130)는 다공성 폴리 프로필렌과 같은 올레핀계 폴리머의 부직포로 제조된다. 세퍼레이터(130)는 애노드 시트(120A)의 크기보다 약간 크게 제조되어, 상기 애노드 시트(120A)를 에워쌀 수 있도록 애노드 시트(120A)의 상하면에 제공된다. 상기 세퍼레이터(130) 중 상부 세퍼레이터(130)의 위에는 캐소드 시트(110A)가 적층된다. 따라서, 세퍼레이터(130), 애노드 시트(120A), 세퍼레이터(130), 및 캐소드 시트(110A)의 순서로 적층되는 적층물이 형성된다.
상기 세퍼레이터(130), 애노드 시트(120A), 세퍼레이터(130), 및 캐소드 시트(110A) 순으로 적층된 적층물은 와인딩 튜브(140)의 외주면 위에서 감긴다. 상기 와인딩 튜브(140)의 외주면에는 상기 적층물의 일단이 삽입될 수 있도록 그 길이 방향을 따라 슬릿(142)이 형성된다. 상기 적층물은, 그 일단이 상기 슬릿(142)에 삽입된 후, 그 단면이 나선(spiral) 형상이 되도록 감겨진다. 상기 와인딩 튜브(140)의 내경은, 애노드 리드(122)를 케이스(150)의 바닥면에 스팟 용접할 때 용접봉이 용이하게 삽입될 수 있도록, 용접봉의 직경보다 약간 크게 형성된다. 또한, 상기 와인딩 튜브(140)는 전지의 오랜 사용으로 인하여 전해액(160)에 의해 부식되지 않도록 하기 위하여 내부식성 재질로 제작된다.
도5는 와인딩 어셈블리가 완성된 상태를 보여준다. 와인딩 튜브(140)의 외주면에 나선상으로 감긴 와인딩 어셈블리(100)는 캐소드 리드(112)와 애노드 리드(122)가 상기 와인딩 어셈블리(100)의 상하로 각기 돌출하는 형상을 갖는다.
도6은 도5의 와인딩 어셈블리가 전지 내에 내장된 상태를 보여준다.
도6을 참조하여, 애노드 리드(122)는 와인딩 어셈블리(100)의 중심부를 향하여 약 90도 절곡된 후, 상기 와인딩 어셈블리(100)는 전지 케이스(150) 내에 삽입된다. 다음으로, 와인딩 어셈블리(100)의 중앙부에 있는 와인딩 튜브(140)의 내부를 통하여 용접봉을 삽입하여 애노드 리드(122)를 케이스(150)의 바닥면에 스팟 용접한다. 상기 와인딩 튜브(140)에 의하여, 용접봉이 와인딩 어셈블리(100)의 중심부에 삽입될 때, 용접봉이 종래의 와인딩 어셈블리에서와 같이 중심부에 돌출된 세퍼레이터에 의하여 방해를 받지 않고 와인딩 어셈블리(100)의 하부에서 절곡된 애노드 리드(122)를 케이스(150)의 바닥면에 용이하게 스팟 용접할 수 있다.
상기 애노드 리드(122)의 스팟 용접 후, 캐소드 리드(112)는 링 플레이트(170)와 접촉할 수 있도록, 약 90도 이하의 각도로 와인딩 어셈블리(100)의 중심부를 향하여 절곡되고, 상기 와인딩 어셈블리(100)의 위에는 링 플레이트(170), 알루미늄 호일(172), 그리고 커버(174)가 차례로 적층된다. 커버(174)의 위에는 피티씨 소자(176)와 캡(178)이 적층된다. 따라서, 상기 캐소드 리드(112)는 전지의 케이스(150) 내에 내장된 피티씨 소자(176), 및 커버(174)를 통하여 상기 커버(174)위에 적층된 캡(178)에 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 캡(178), 피티씨 소자(176), 및 커버(174)를 에워싸고, 이들과 케이스(150)의 내벽 사이를 밀봉하기 위하여 가스켓(180)이 그 사이에 끼워진다. 상기 가스켓(180) 위에는 캡(178)이 놓여진 후, 상기 적층된 캡(178), 피티씨 소자(176) 및 커버(174)와 케이스(150)의 내벽 사이를 밀봉할 수 있도록, 가스켓(180)을 고정하기 위하여 상기 케이스(150)의 상단은 내부로 절곡된다.
따라서, 전지는 상기 전지 내에 내장된 와인딩 어셈블리(100)와 케이스 내에 충전된 전해액(160)과의 화학 반응에 의하여 전류를 발생시키고, 발생된 전류는 애노드 리드(122)와 캐소드 리드(112)를 통하여 부하에 인가된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 상기 와인딩 튜브에 의하여, 와인딩 어셈블리의 애노드 리드를 전지 케이스의 바닥면에 스팟 용접할 때, 와인딩 어셈블리의 중심부에 돌출된 세퍼레이터에 의하여 방해를 받지 않고 와인딩 어셈블리의 중심부를 통하여 용접봉이 용이하게 삽입될 수 있게 함으로써, 전지가 신속하고 용이하게 제조될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자라면 명확히 인지할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 전지의 케이스(150) 내에 내장되고, 전지의 전해액(160)과 화학 반응하여 전류를 생성시키는 캐소드 활성 물질이 그 양면에 부착되는 제1메탈 시트(110A), 그리고 상기 제1메탈 시트(110A)에 부착되며, 전지의 캡(178)에 전기적으로 연결되는 캐소드 리드(112)를 포함하는 캐소드(110);
    상기 제1메탈 시트(110A)와 대응하는 제2메탈 시트(120A), 그리고 상기 제2메탈 시트(120A)에 부착되며, 전지 케이스(150)의 바닥면에 연결되는 애노드 리드(122)를 포함하는 애노드(120);
    상기 제2메탈 시트(120A)를 감싸도록 상기 제2메탈 시트(120A)의 상하면에 각각 제공되어 상기 제1메탈 시트(110A)와 제2메탈 시트(120A)를 분리하며, 상기 제1메탈 시트(110A)가 그 중 상부의 것 위에 적층되는 한 쌍의 세퍼레이터(130); 그리고
    상기 세퍼레이터(130), 제2메탈 시트(120A), 세퍼레이터(130), 및 제1메탈 시트(110A) 순으로 적층된 적층물을 그 외주면 위에 감기 위한 와인딩 튜브(140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 와인딩 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1메탈 시트(110A)의 재질은 알루미늄이고, 상기 활성 물질은 이산화망간과 탄소의 혼합물이며, 상기 제2금속 시트(120A)의 재질은 메탈 리튬인 것을 특징으로 하는 전지의 와인딩 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 와인딩 튜브(140)에는 상기 적층물의 일단을 삽입할 수 있도록 그 길이 방향을 따라 슬릿(142)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전지의 와인딩 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 와인딩 튜브(140)는 내부식성 재질인 것을 특징으로 하는 전지의 와인딩 어셈블리.
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