KR100467699B1 - 단자 구조가 개선된 리튬 이차 전지 - Google Patents

단자 구조가 개선된 리튬 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안전장치와 연결되는 리이드의 길이를 짧게 하여 저항요소를 줄일 수 있고, 보다 컴팩트한 패키징 설계가 가능하도록 하기 위한 것으로, 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판을 절연시키는 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체와, 일면에 개구부를 구비하여 상기 전극 조립체를 수납하는 캔과, 상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트를 갖는 것으로, 상기 제 1 전극판과 전기적으로 연결된 제 1 단자부와, 제 2 전극판과 전기적으로 연결된 제 2 단자부를 구비하고, 상기 제 1 단자부와 제 2 단자부는 상호 절연되도록 구비된 캡 조립체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

Description

단자 구조가 개선된 리튬 이차 전지 {Lithium secondary battery with improved terminal structure}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이스 외부로 노출된 단자 구조가 개선된 이차 전지에 관한 것이다.
통상적으로 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다.
이 이차 전지는 발전 요소, 즉, 전극 조립체를 수용하고 있는 케이스의 형상에 따라서 원통형 알루미늄 캔을 사용하는 원통형 전지, 각형의 알루미늄 캔을 사용하는 각형 전지 및 박판의 파우치 케이스에 수납되는 파우치형 전지로 구분할 수 있다.
상기와 같은 전지 형태 중 각형 이차 전지는 도 1에 도시된 바와 같이 일면이 개구된 직육면체의 각형 캔(11)의 내부에 전극 조립체(18)와 전해질 물질이 수용된다. 상기 전극 조립체(18)는 전극 활물질이 도포된 양극판과 음극판을 세퍼레이터로 상호 격리시키고, 상기 양극판, 음극판 및, 세퍼레이터를 젤리 롤(jellyroll)의 형태로 감아서 형성한 것이다. 전극 조립체(18)의 일측에는 상기 양극판 및 음극판과 각각 연결된 양극 탭(19b) 및 음극 탭(19a)이 형성된다.
상기 캔(11)의 개구부에는 캡 조립체가 결합되어 캔을 밀봉하는 데, 상기 캡 조립체는 캔(11)의 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트(12)와, 상기 캡 플레이트(12)에 형성된 삽입공(12a)에 삽입되는 절연 튜브(17)와, 상기 절연 튜브(17)에 형성된 구멍에 삽입되고 상기 전극 조립체(18)의 음극 탭(19a)에 전기적으로 연결되는 핀(16)과, 상기 음극 탭(19a)과 캡 플레이트(12)를 전기적으로 절연시키는 절연 플레이트(13)을 구비한다. 도면 번호 12b로 표시된 것은 전해액 주입구로서, 캡 플레이트(12)가 캔(11)에 조립된 이후에 전해액을 그것을 통해 주입하고 도시되지 아니한 플러그로 밀폐하게 된다. 한편, 핀(16)은 상기 절연 플레이트(13)의 하부에서 단자 플레이트(14)와 더 결합되고, 이러한 캡 플레이트와 전극 조립체(18)의 사이에는 전극 조립체(18)의 요동을 방지하기 위한 절연 케이스(15)가 더 개재된다. 또한, 상기 핀(16)에 연결되지 않는 전극 조립체(18)의 양극 탭(19b)은 캔(11)의 내면에 직접적으로 연결되거나, 캡 플레이트(12)의 저면에 용접된다. 이렇게 조립된 각형 이차전지는 상기 핀(16)이 음극으로 작용하게 되고, 이 핀을 제외한 캡 플레이트(12) 및 캔(11) 전체가 양극으로 작용하게 된다.
상기와 같은 각형 이차전지는 PTC 소자 및 보호회로기판(Protecting Circuit Board) 등의 안전장치가 연결된 체 전지 팩에 수납되는 데, 이 때, 이들 안전장치들(20)은 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 음극과 양극에 각각 연결된 리이드(21a)(21b)와 연결된다. 이 때, 음극 리이드(21a)는 캡 조립체의 핀(16)에연결되어 있고, 양극 리이드(21b)는 캔(11)의 바닥에 형성된 바닥 플레이트(bottom plate:미도시)에 연결되어 있다. 이러한 리이드들(21a)(21b)이 안전장치(20)에 각각 연결되는 위치는 상기 전지가 수납될 전지 팩의 사양에 따라 달라지나, 상기 리이드들(21a)(21b)은 각각 전지의 상부와 하부, 즉, 전지의 핀(16)과 바닥에 부착된다.
이렇게 종래의 각형 전지에 있어서 리이드들(21a)(21b)이 전지의 상부와 하부에 부착되면 상기와 같이 안전장치를 연결함에 있어서, 상기 리이드들(21a)(21b) 중 적어도 하나의 리이드는 길게 형성되어야 한다. 이렇게 리이드가 길게 형성될 경우 이에 따른 저항 요소가 증대되며, 또한, 별도의 보호회로 등의 장착을 위해 패키징 구조가 복잡해지는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 안전장치와 연결되는 리이드의 길이를 짧게 하여 저항요소를 줄일 수 있는 리튬 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 보다 컴팩트한 패키징 설계가 가능한 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
도 1 은 통상적인 각형 이차 전지의 개략적인 분해 사시도.
도 2 는 통상적인 각형 이차 전지 및 이에 부착된 안전장치의 사시도.
도 3 은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 분해 사시도.
도 4 는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ에 대한 단면도.
도 5 는 도 3의 리튬 이차 전지에 리이드가 부착된 상태를 나타내는 부분 사시도.
도 6 은 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 단면도.
도 7 은 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 단면도.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
31: 캔 32: 개구부
33: 전극 조립체 36a: 제 1 전극 탭
36b: 제 2 전극 탭 40: 캡 조립체
41: 캡 플레이트 43a: 제 1 단자부
43b: 제 2 단자부 44a: 제 1 전극 핀
44b: 제 2 전극 핀 51a: 제 1 리이드
51b: 제 2 리이드
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판을 절연시키는 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체와, 일면에 개구부를 구비하여 상기 전극 조립체를 수납하는 캔과, 상기 캔의개구부를 밀봉하는 캡 플레이트를 갖는 것으로, 상기 제 1 전극판과 전기적으로 연결된 제 1 단자부와, 제 2 전극판과 전기적으로 연결된 제 2 단자부를 구비하고, 상기 제 1 단자부와 제 2 단자부는 상호 절연되도록 구비된 캡 조립체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 캡 플레이트는 전도성 금속으로 구비되고, 상기 제 1 단자부는 상기 캡 플레이트를 상호 절연되도록 관통하여 상기 제 1 전극판에 연결되는 제 1 전극핀을 구비하고, 상기 제 2 단자부는 상기 캡 플레이트의 상부에 형성된 제 2 전극핀으로 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 캡 플레이트는 전도성 금속으로 구비되고, 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부는 각각 상기 캡 플레이트를 상호 절연되도록 관통하여 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판에 연결되는 제 3 전극핀 및 제 4 전극핀을 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 캡 플레이트는 절연성 소재로 구비되고, 상기 제 1 단자부는 상기 캡 플레이트를 관통하는 제 5 전극핀으로 구비되며, 상기 제 2 단자부는 상기 캡 플레이트를 관통하는 제 6 전극핀으로 구비될 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 리튬 이차전지를 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ에 대한 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 리튬 이차전지(30)는 일면에 개구부가 구비된 캔(31)과, 상기 개구부를 통해 캔(31)의 내부에 수납되는 전극 조립체(33)와, 상기 개구부에 결합되어 상기 캔(31)을 밀봉하는 캡 조립체(40)를 포함한다.
상기 전극 조립체(30)는 도 4에 나타난 바와 같이, 제 1 전극판(34a) 및 제 2 전극판(34b)이 세퍼레이터(35)를 개재하여 형성된 것으로, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 도 3 및 도 4에서 볼 수 있듯이, 제 1 전극판(34a) 및 제 2 전극판(34b)이 세퍼레이터(35)이 적층된 후 권취된 젤리 롤형의 전극 조립체(33)가 사용될 수 있다. 상기 제 1 전극판(34a)은 음극판으로 사용될 수 있으며, 상기 제 2 전극판(34b)은 양극판으로 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 서로 극성이 반대되도록 적층 및 권취할 수 있다.
이 때, 상기 음극판은 스트립 형상의 금속박판으로 된 음극 집전체를 구비하며, 상기 음극 집전체로는 구리 박판이 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체의 적어도 일면에는 음극 활물질이 코팅된 음극 코팅부가 형성되며, 상기 음극 활물질로는 탄소재에, 바인더, 가소제, 도전재 등이 함유된 혼합물로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 양극판은 스트립 형상의 금속박판으로 된 양극 집전체를 구비하며, 상기 양극 집전체로는 알루미늄 박판이 사용될 수 있다. 상기 양극 집전체의 적어도 일면에는 양극 활물질이 코팅되는 양극 코팅부가 형성되는 데, 상기 양극 활물질로는 리튬계산화물에, 바인더, 가소제, 도전재 등이 함유된 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 전극 조립체(33)의 상부로는 도 3 및 도 4에서 볼 수 있듯이, 상기 제 1 전극판(34a) 및 제 2 전극판(34b)에 각각 전기적으로 연결된 제 1 전극탭(36a) 및 제 2 전극탭(36b)이 인출되어 있다. 제 1 전극탭(36a) 및 제 2 전극탭(36b) 각각 제 1 전극판(34a) 및 제 2 전극판(34b)에 용접되어 고정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 캔(31)은 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 캔(31)은 경량의 전도성 금속인 Al 또는 Al 합금으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 캔(31)은 그 일면에 개구부를 구비한 것으로, 상기 개구부를 통해 상기 전극 조립체(33)가 캔(31)의 내부로 수납될 수 있다. 상기 캔(31)은 도 3에서 볼 수 있듯이, 그 측면 모서리 부분이 각이 진 각형으로 구비될 수도 있고, 비록 도면으로 나타내지는 않았지만, 그 모서리 부분이 라운드 처리된 라운드형으로 구비될 수도 있다.
상기와 같은 캔(31)의 개구부에는 캡 조립체(40)가 설치된다. 상기 캡 조립체(40)는 상기 개구부에 직접 결합되는 캡 플레이트(41)를 구비하는 데, 상기 캡 플레이트(41)의 대략 중앙부에는 상기 제 1 전극탭(36a)과 전기적으로 연결될 제 1 전극핀(44a)이 결합될 통공(42a)이 형성되고, 일측 가장자리부에는 전해액이 주입될 수 있는 전해액 주입구(42b)가 형성되며, 상기 전해액 주입구(42b)는 캡 조립체의 조립 후 전해액 주입이 끝난 후에 별도의 볼(42)에 의해 폐쇄된다. 또한, 상기 캡 플레이트(41)의 상면에는 상기 제 2 전극탭(36b)과 전기적으로 연결될 제 2 전극핀(44b)이 형성될 수 있는 데, 상기 제 2 전극핀(44b)은 상기 캡 플레이트(41)와 일체로 형성되거나, 별도의 핀 부재를 캡 플레이트의 상면에 부착하여 형성될 수 있으며, 이 외에도 상기 캡 플레이트(41)를 관통하도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 제 1 전극핀(44a)은 가스켓(45)을 게재하여 상기 통공(42a)에 삽입된 후, 절연 플레이트(46) 및 단자 플레이트(47)를 관통해 상기 캡 플레이트(41)에 결합될 수 있다. 상기 제 1 전극핀(44a)은 스피닝 처리에 의해 고정될 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 캡 조립체(40)는 전극 조립체(33)가 수납된 캔(31)의 개구부를 밀봉시키는 데, 이 때, 상기 전극 조립체(33)와 캡 조립체(40)의 사이에는 절연 케이스(48)가 더 개재되도록 하여 전극 조립체(33)의 요동을 방지하도록 할 수 있다.
이러한 캡 조립체(40)에는 전극 탭들(36a)(36b)이 접합되는 데, 상기 제 1 전극 탭(36a)은 도 4에서 볼 수 있듯이, 제 1 전극핀(43)의 하면이나 단자 플레이트(47)의 하면에 용접 등에 의해 접합되며, 제 2 전극 탭(36b)은 캡 플레이트(41)의 하면이나, 캔(31)의 내벽 또는 캔(31)과 캡 플레이트(41)의 접합부 등에 용접에 의해 접합시킬 수 있다.
상기와 같은 전극 탭들(36a)(36b)의 접합에 의해 제 1 전극핀(44a)은 제 1 전극판과 전기적으로 연결되어 제 1 단자부(43a)를 구성하게 되는 한편, 상기 캔(31) 자체 및 캡 플레이트(41)는 제 2 전극판과 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 캡 플레이트(41)의 상면에 형성되어 있는 제 2 전극핀(44b)은 상기 캡 플레이트(41)와 동일한 극성을 띠게 되며, 이에 따라 상기 제 2 전극핀(44b)은 제 2 전극판과 전기적으로 연결된 제 2 단자부(43b)를 구성하게 된다.
이렇게 제 1 전극핀(44a)과 제 2 전극핀(44b)으로 구성된 제 1,2 단자부(43a)(43b)는 상기 제 1 전극핀(44a)이 가스켓(45) 및 절연 플레이트(46)에 의해 캡 플레이트(41)와 절연되므로, 이들 제 1,2 단자부(43a)(43b)도 상호간에 절연이 될 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 전지의 캡 플레이트 위로 두 개의 전극 단자부가 형성되어 있으므로, 도 5에서 볼 수 있듯이, 제 1 리이드(51a)와 제 2 리이드(51b)를 비슷한 위치에서 끌어 낼 수 있으며, 이에 따라 안전 장치(50)와 결합하기 위해 리이드를 길게 연장할 필요가 없게 된다. 따라서, 이 때에는 종래의 보호 회로 기판을 전지 내장 회로에 장착시킬 수 있어 전지 팩의 구조를 보다 간단하게 할 수 있으며, 리이드가 상부와 하부에서 연장되지 않으므로 전체적으로 보다 간단한 구조의 패키징이 가능하게 된다.
한편, 상기와 같은 단자부의 구조는 위에서 설명한 구조에 국한되는 것은 아니며, 캡 플레이트에 구비된 두 개의 단자부가 서로 절연되도록 하는 어떠한 구조이든 적용 가능하다.
즉, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 금속으로 구비된 캔(31)과 캡 플레이트(61)를 구비하고, 상기 캡 플레이트(61)에 각각 절연되는 제 1, 2 단자부(63a)(63b)를 구비할 수 있다. 상기 제 1,2 단자부(63a)(63b)는 각각 상기 캡 플레이트(61)를 관통하여 제 1 전극탭(36a) 및 제 2 전극탭(36b)과 전기적으로 연결되는 제 3 전극핀(64a)과 제 4 전극핀(64b)을 구비하고, 상기 제 3 전극핀(64a) 및 제 4 전극핀(64b)이 상기 캡 플레이트(61)와 절연되도록 하는 가스켓들(65a)(65b) 및 절연 플레이트들(66a)(66b)을 각각 구비하며, 상기 제 3 전극핀(64a) 및 제 4 전극핀(64b)에 부착되는 단자 플레이트들(67a)(67b)을 갖는다.
따라서, 상기와 같은 구조에서는 상기 캔(31) 및 캡 플레이트(61)는 어떠한 극성도 띠지 않게 되며, 단지 제 3 전극핀(64a) 및 제 4 전극핀(64b)만이 극성을 띠게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지는 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 절연성 소재의 캔과 캡 플레이트로 구비될 수 있다.
즉, 상기 캔(71)과 캡 플레이트(81)를 절연성 소재로 형성하고, 제 1 전극 탭(36a) 및 제 2 전극 탭(36b)에 각각 전기적으로 연결될 제 1,2 단자부(83a)(83b)를 금속재의 제 5 전극핀(84a) 및 제 6 전극핀(84b)으로 구비시킨다. 이 제 5,6 전극핀들(84a)(84b)과 캡 플레이트(81)의 사이에는 각각 단자 플레이트들(87a)(87b)이 구비될 수 있으며, 상기 제 1 전극 탭(36a) 및 제 2 전극 탭(36b)은 각각 상기 제 5 전극핀(84a) 및 제 6 전극핀(84b)의 하면이나 상기 단자 플레이트들(87a)(87b)에 접합될 수 있다. 이 때에는 상기 캡 플레이트(81)가 절연성 소재로 구비되므로, 상기 전극핀들(84a)(84b)을 상호간에 격리시키기만 하면 되고, 캡 플레이트(81)와의 절연은 불필요하다.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 전지의 안전 장치와 결합하기 위해 리이드를 길게 연장할 필요가 없으므로, 이에 따른 저항 손실도 줄일 수 있다.
둘째, 종래의 보호 회로 기판을 전지 내장 회로에 장착시킬 수 있어 전지 팩의 구조를 보다 간단하게 할 수 있다.
셋째, 전지의 패키징 구조를 보다 콤팩트하게 설계할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 이로부터 다양한 변형 및, 균등한 타 실시예를 용이하게 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판을 절연시키는 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체;
    일면에 개구부를 구비하여 상기 전극 조립체를 수납하는 캔; 및
    전도성 금속으로 구비되어 상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트를 갖는 것으로, 상기 캡 플레이트를 상호 절연되도록 관통하여 상기 제 1 전극판에 연결된 제 1 전극핀을 갖는 제 1 단자부와, 상기 캡 플레이트의 상부에 형성되어 상기 제 2 전극판과 전기적으로 연결된 제 2 전극핀을 갖는 제 2 단자부를 포함하고, 상기 제 1 단자부와 제 2 단자부는 상호 절연되도록 구비된 캡 조립체;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  3. 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판을 절연시키는 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체;
    일면에 개구부를 구비하여 상기 전극 조립체를 수납하는 캔; 및
    전도성 금속으로 구비되어 상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트를 갖는 것으로, 상기 제 1 전극판과 전기적으로 연결된 제 1 단자부와, 제 2 전극판과 전기적으로 연결된 제 2 단자부를 구비하고, 상기 제 1 단자부와 제 2 단자부는 상호 절연되며, 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부는 각각 상기 캡 플레이트를 상호 절연되도록 관통하여 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판에 연결되는 제 3 전극핀 및 제 4 전극핀을 구비한 캡 조립체;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  4. 삭제
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