KR100537539B1 - 리드 플레이트가 부착된 각형 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체, 전극 조립체와 전해액을 수용하는 용기가 되는 각형 캔, 각형 캔의 개방된 상부를 마감하도록 캡 플레이트를 가지는 캡 어셈블리를 구비하여 이루어지는 베어 셀과; 바닥부와 상기 바닥부에서 수직하게 돌출되는 벽체부를 가지며, 상기 캡 플레이트 표면 일측에 형성된 전해액 주입구 위로 상기 바닥부 하면이 상기 캡 플레이트면에 결합되는 리드 플레이트;를 가지는 각형 이차 전지에 있어서, 리드 플레이트에는 바닥부의 상기 전해액 주입구에 대응되는 부분이 제거되어 상기 전해액 주입구를 밀봉하는 마개를 드러내도록 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 이차 전지가 개시된다.

Description

리드 플레이트가 부착된 각형 이차 전지 {Prismatic type secondary battery having lead plate}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리드 플레이트가 부착되는 각형 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성을 가지므로 최근에 많이 개발되고 사용되고 있다. 근래에 개발, 사용되는 대표적 이차 전지로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지 등을 들 수 있다.
이들 이차 전지의 베어 셀(bare cell) 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 철이나 알미늄 또는 알미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 어셈블리로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하여 캡 어셈블리를 밀봉함으로써 형성된다. 캔을 알미늄 또는 알미늄 합금으로 형성하게 되면 알미늄의 가벼운 속성으로 전지의 경량화가 이루어질 수 있고, 고전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 유리한 점이 있다.
이들 이차 전지의 베어 셀에서는 통상적으로 상부에 주위 부분과 절연된 전극 단자가 구비되며, 이 전극 단자가 베어 셀 내에서 전극 조립체의 한 전극과 연결되어 전지의 양극 단자 또는 음극 단자를 이루게 된다. 그리고, 캔 자체는 전극 단자와 반대의 극성을 가진다.
밀봉된 이차 전지 베어 셀의 전극 단자는 PTC 소자(positive temperature coefficient) 및 보호회로 기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치의 단자와 전기적으로 연결된다. 안전장치들은 양극과 음극에 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과도한 충방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 경우 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지하게 한다.
통상, 베어 셀의 전극과 보호회로 기판 등의 전기 단자를 직접 용접하여 전기접속시키는 것은 베어 셀의 형태상, 재질상 용이하지 않다. 따라서, 리드 플레이트(lead plate)라 불리는 도체구조가 전지의 양극, 음극과 보호회로 기판 같은 안전장치의 전기 단자를 연결하는 역할을 한다. 리드 플레이트의 재질로는 통상 니켈 또는 니켈 합금이나, 니켈이 도금된 스테인레스강이 사용된다. 안전장치와 베어 셀은 전기적으로 연결된 상태로 별도의 팩에 수납되거나, 용융된 수지로 사이 공간이 채워지고 피복되어 완성된 전지 팩을 이루게 된다.
그런데, 니켈로 이루어진 리드 플레이트는 알미늄으로 이루어진 캔과의 용접에 문제가 발생될 수 있다. 즉, 니켈과 알미늄은 니켈의 불용성과, 알미늄의 뛰어난 전도성으로 인하여 초음파 용접이나 저항용접이 매우 곤란하다. 따라서, 캔과 리드 플레이트는 통상 레이저로 용접하게 된다. 초기에는 이러한 레이저 용접을 리드 플레이트와 보호회로가 연결된 상태로 하여 레이저빔 조사시 대전 현상과 전기 충격을 발생시키고, 안전장치들의 신뢰성을 저하시키는 문제도 있었다. 근래에는 캔형 전지에 먼저 리드 플레이트를 용접하고, 용접된 리드 플레이트에 보호회로측의 단자 플레이트를 저항 용접하는 방법이 사용되고 있다.
한편, 캔의 바닥면 등 직접 캔에 대해 리드 플레이트를 레이저 용접하는 것은 전지의 박형 경량화 경향에 따라 캔의 두께가 0.2 내지 0.3mm 정도로 매우 얇기 때문에 그 용접 강도를 정확히 조절하지 않으면 레이저 용접부에서 전해액이 누출되는 등의 문제를 일으킬 수 있다. 따라서, 최근에는 캔형 전지의 캡 어셈블리, 주로 캡 플레이트, 일부에 리드 플레이트를 형성하는 경우가 많다.
캡 플레이트에 리드 플레이트가 연결되는 경우, 베어 셀과 보호회로 기판은 리드 플레이트 용접으로 연결된 상태에서 성형 수지용 몰드에 고정되어 성형 수지로 간극이 채워져 수지몰딩형 이차 전지로 이루어지는 경우가 많다. 이런 수지몰딩형 이차 전지는 별도의 하드 팩용 케이스를 사용하는 경우에 비해 외관을 매끈하게 하고, 케이스에 해당하는 두께를 줄일 수 있고, 케이스에 장입하는 불편이 없다는 이점이 있다.
도1은 종래의 일 예로써 각형 이차 전지 베어 셀의 캡 플레이트 일측에 리드 플레이트가 용접 결합될 때의 문제점을 나타내기 위한 베어 셀 상부에 대한 측단면도이다.
도1을 참조하여 설명하면, 음극(15), 양극(13), 세퍼레이터(14)가 적층 권취된 전극 조립체(12)가 캔(11)의 내부에 삽입된 후 개방된 캔의 상부에는 캡 어셈블리가 결합된다. 캡 어셈블리는 캡 플레이트(110)가 본체가 되며, 캡 플레이트(110) 중앙 홀에는 절연 가스켓(12)을 매개하여 음극 단자(130)가 설치되어 있다. 음극 단자(130)를 중심으로 그 일측에는 캡 플레이트(110)에 전해액 주입구(112)가 형성되어 있고, 그 타측에는 도시되지 않았지만 안전변이 설치될 수 있다. 전해액 주입구는 캔(11)이 캡 어셈블리로 마감된 뒤 전해액을 캔 내부에 주입하기 위해 형성된 것이다. 전해액 주입 후 전해액 주입구(112)에는 알미늄 볼을 압입하여 형성한 마개(160)로 밀봉된다.
그런데, 이런 종래의 수지몰딩형 이차 전지 구성에서 마개(160)는 캡 플레이트에 형성된 전해액 주입구에 알미늄 볼을 압입하는 방법으로 형성한다. 따라서 전해액 주입구(112)과 마개(160) 사이의 미세 틈이 존재하기 쉽고, 이 틈으로 전해액이 누출되는 것을 방지하기 위해 마개 주변에서 마개와 캡 플레이트 사이의 레이저 용접이 이루어진다. 또한, 마개(160) 위에는 액상의 수지를 도포하거나 수지 액적(液滴)을 떨어뜨려 이를 빛이나 열로 경화시켜 수지 봉지재(250)를 형성함으로써 전해액 누출을 이중으로 방지할 수도 있다.
수지를 이용한 봉지재(250)나 마개(160)는 형성방법상 캡 플레이트면 위로 일부 돌출 형성된다. 한편, 리드 플레이트(210)는 적어도 베어 셀의 캡 플레이트(110)와의 면과 면 결합을 위한 일정 넓이 이상의 바닥부(211)와, 보호회로 기판의 전기 단자와의 결합을 위해 바닥부(211)에서 보호회로 기판쪽으로 수직으로 돌출되는 벽체부(213)를 가진다. 크기를 감안할 때 리드 플레이트(210)는 전해액 주입구(112) 위로 일부가 겹쳐서 형성되게 된다. 리드 플레이트의 바닥부(211)를 캡 플레이트(110)에 결합시키기 위해 용접을 할 때 전해액 주입구(112) 위로 돌출되는 마개(160)나 수지 봉지재(250)는 도1에 다소 과장되게 나타나듯이 리드 플레이트 바닥부(211)가 캡 플레이트(110) 면에서 들뜨게 하여 용접을 방해하고, 용접이 되는 경우에도 용접을 약화시키는 문제가 있다.
리드 플레이트는 베어 셀의 양극 단자인 캡 플레이트를 보호회로 기판의 접속 단자와 연결하는 전도로를 이루며, 수지몰딩형 이차 전지에서 보호회로 기판과 베어 셀을 결합시키는 성형수지부에 삽입되어 베어 셀을 견고히 고정시키는 역할도 한다. 따라서, 리드 플레이트와 캡 플레이트 사이의 용접이 제대로 이루어지지 못하면 리드 플레이트의 이런 기능을 적절히 할 수 없어 완성된 이차 전지에 기계적 강도의 불량이나 전기 접속의 불량을 유발시킨다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 리드 플레이트 바닥부와 캡 플레이트면 사이의 용접을 쉽게 하여 이들 사이의 결합 강도를 확보할 수 있도록 하는 리드 플레이트가 부착된 각형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 캡 플레이트 표면에서의 돌출부의 영향을 차단하여 리드 플레이트와 캡 플레이트 사이의 들뜸을 방지할 수 있는 리드 플레이트가 부착된 각형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 각형 이차 전지는,
양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체, 전극 조립체와 전해액을 수용하는 용기가 되는 각형 캔, 각형 캔의 개방된 상부를 마감하도록 캡 플레이트를 가지는 캡 어셈블리를 구비하여 이루어지는 베어 셀과
바닥부와 상기 바닥부에서 수직하게 돌출되는 벽체부를 가지며, 상기 캡 플레이트 표면 일측에 형성된 전해액 주입구 위로 상기 바닥부 하면이 상기 캡 플레이트면에 결합되는 리드 플레이트를 가지는 각형 이차 전지에 있어서,
상기 리드 플레이트에는 상기 바닥부의 상기 전해액 주입구에 대응되는 부분이 제거되어 상기 전해액 주입구를 밀봉하는 마개를 드러내도록 홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로, 성형 수지에 의해 결합되기 전 단계에서 보호회로 기판와 베어 셀이 결합된 상태에 있는 각형 이차 전지에 대한 분해 사시도이며, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 베어 셀과 리드 플레이트가 결합된 것을 보여주는 부분 사시도, 도4는 도1에 대응되는 본 발명의 일 실시예에 따른 베어 셀과 리드 플레이트가 결합된 상태의 각형 이차 전지 정단면도이다..
도2를 참조하면, 리튬 팩 전지는 캔(11)과, 이 캔(11)의 내부에 수용되는 전극 조립체(12)와, 캔(11)의 개방된 상단과 결합하여 캔 상단을 밀봉하는 캡 조립체를 구비하여 이루어지는 베어 셀을 가진다.
전극 조립체(12)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 양극(13), 세퍼레이터(14), 음극(15), 세퍼레이터의 적층체를 와형으로 권취하여 형성한다. 양극 및 음극 리드(16,17)가 전극 조립체(12)로부터 인출되는 경계부에는 두 전극(13,15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 각각 감겨져 있다. 각형 캔(11)은 통상 직육면체의 형상을 가진 알미늄 혹은 알미늄 합금으로 형성된다. 캔(11)의 개방된 상단을 통해 전극 조립체(12)가 수용되어 캔(11)은 전극 조립체(12) 및 전해액의 용기 역할을 하게된다. 캡 조립체의 캡 플레이트(110)가 베어 셀의 양극단자의 역할을 수행하게 된다.
캡 조립체에는 캔(11)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(110)가 마련되고, 중앙부에는 전극 단자(음극단자:130)가 통과할 수 있도록 단자용 통공이 형성된다. 음극 단자(130) 외측에는 음극 단자(130)와 캡 플레이트(110)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치되어 있다. 캡 플레이트(110) 하면에 절연 플레이트(140)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(140)의 아랫면에는 음극 단자와 연결되는 단자 플레이트(150)가 설치되어 있다. 캡 플레이트(110) 하면에는 양극 리드(16)가 용접되어 있으며, 음극 단자(130)의 하단부에는 음극 리드(17)가 용접되어 있다.
한편, 전극 조립체(12)의 상단부를 커버할 수 있도록 절연 케이스(190)가 설치될 수 있고, 절연 케이스에는 리드 통공(191)과 전해액 통과공(192)이 형성된다. 음극 단자를 중심으로 캡 플레이트(110)의 일측에는 전해액 주입공(112)이 형성되고, 다른 일측에는 안전변(미도시)이 설치될 수 있다. 전해액 주입공(112)에는 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입공을 밀폐시키기 위하여 마개(160)가 설치된다. 마개(160) 위쪽에는 도시되지 않지만 수지 봉지재가 설치된다. 캡 플레이트(110) 주변부와 캔(11) 측벽 상단은 용접으로 결합된다.
보호회로 기판(300)에서 외부 단자(310,320)가 형성된 이면, 즉, 내측면에는 회로부 및 접속 단자(360, 370)가 구비된다. 접속 단자(360, 370)는 베어 셀에 결합된 리드 플레이트(410, 420)와 저항 스폿 용접으로 결합될 수 있다. 보호회로 기판과 음극 단자 사이에 있는 리드 플레이트(420)에는 브레이커(breaker) 등이 결합 형성될 수 있다. 절연 플레이트(430)는 음극 단자(130)와 접속되는 리드 플레이트(420)와 캡 플레이트 사이를 절연하기 위한 것으로, 양면 테이프 등을 이용할 수 있고, 캡 플레이트(110)에 안전변이 설치되는 경우 안전변을 보호하면서 리드 플레이트(420)를 결합시키는 역할을 할 수 있다. 마개(160) 위로 설치되는 리드 플레이트(410)는 그 바닥부 하면에서 캡 플레이트 면과 결합된다. 리드 플레이트(410)는 통상 캡 플레이트와 결합되는 바닥부가 대략 직방형으로 형성되고, 바닥부의 주연부 적어도 일부에는 캡 플레이트 면을 기준으로 수직하게 돌출되는 벽체부를 가진다. 단, 본 발명에서는 마개(160)나 수지 봉지재 같이 전해액 주입구(112)에 대응하는 영역에서 리드 플레이트(410) 바닥부가 제거되어 홀이 형성된다.
이하 도3과 도4를 함께 참조하여 설명하면, 홀(415) 부분에서는 리드 플레이트 바닥부가 제거되어 캡 플레이트(110)가 드러난 상태가 되며, 홀(415)이 형성하는 공간을 통하여 캡 플레이트(110)의 전해액 주입구(112) 부분이 외측으로 드러나게 된다. 따라서, 전해액 주입구를 밀봉하면서 캡 플레이트면 위로 다소간 돌출되는 마개(160)나 수지 봉지재(250)도 이 홀을 통해 드러나게 된다.
따라서, 종래와 달리 홀(415)이 형성된 외의 다른 부분에서 리드 플레이트 바닥부(411)가 캡 플레이트면과 밀착될 수 있다. 이들 다른 부분에서 리드 플레이트와 캡 플레이트 사이의 용접의 신뢰성이 향상되어 베어 셀에 대한 리드 플레이트의 기계적 전기적 접속이 안정될 수 있다.
홀(415)은 정방형이나 원형 등 다양한 형태로 형성될 수 있으나, 캡 플레이트(110)에서 돌출되는 마개(160)나 수지 봉지재(250)의 통상의 형태와 부합하는 크기 및 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 홀의 크기가 너무 커지면 상대적으로 캡 플레이트와 닿는 리드 플레이트 바닥부(411) 면적이 줄어들어 용접이 어려워지고 용접 강도가 작아질 수 있다.
홀은 펀칭(punching) 등의 기법으로 형성될 수 있다. 가령, 리드 플레이트 전체를 그 형태에 맞게 절단하는 과정에서 홀을 함께 펀칭을 통해 형성하고, 절곡하여 리드 플레이트의 바닥부와 벽체를 형성할 수 있다. 기타, 홀이 형성될 부분을 미리 채운 몰드에 용융된 금속 재료를 부어 넣고 리드 플레이트를 주조하는 등의 방법으로 리드 플레이트 전체를 형성할 수도 있다.
리드 플레이트는 통상과 같이 니켈 혹은 니켈 합금 재질로 이루어지고, 홀이 형성되지 않은 바닥부를 통해 다양한 형태로 캡 플레이트와 레이저 용접이 이루어질 수 있다. 리드 플레이트를 레이저 용접할 때 용접의 심도는 리드 플레이트이 두께와 캡 플레이트의 두께 및 필요한 용접 강도에 따라 통상 0.15 내지 0.4 mm까지 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 리드 플레이트와 캡 어셈블리의 용접부의 강도를 충분히 확보하여 전지 팩에서 외력이 가해질 때 혹은 리드 플레이트를 용접한 후 공정에서 리드 플레이트가 캡 어셈블리에서 쉽게 분리되는 것을 방지할 수 있고, 전기 접속 면에서도 안정된 접속을 이룰 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 리드 프레이트와 캡 플레이트가 밀착된 상태에서 안정된 용접이 가능하므로 용접에 필요한 레이저 출력을 적절히 조절할 수 있다.
도1은 종래의 일 예로써 각형 이차 전지 베어 셀의 캡 플레이트 일측에 리드 플레이트가 용접 결합될 때의 문제점을 나타내기 위한 베어 셀 상부에 대한 측단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로, 성형 수지에 의해 결합되기 전 단계에서 보호회로 기판와 베어 셀이 결합된 상태에 있는 각형 이차 전지에 대한 분해 사시도이며,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 베어 셀과 리드 플레이트가 결합된 것을 보여주는 부분 사시도,
도4는 도1에 대응되는 본 발명의 일 실시예에 따른 베어 셀과 리드 플레이트가 결합된 상태의 각형 이차 전지 정단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11: 캔 12: 전극 조립체
13: 양극 14: 세퍼레이터
15: 음극 16: 양극 리드
17: 음극 리드 18: 절연 테이프
110: 캡 플레이트 111: 통공
112: 전해액 주입구 120: 가스켓
130: 음극 단자 140: 절연 플레이트
150: 단자 플레이트 190:절연 케이스
191: 리드 통공 192: 전해액 통과공
160: 마개 250: 수지 봉지재
210,410,420: 리드 플레이트 211,411: 바닥부
213,413: 벽체부 415: 홀

Claims (3)

  1. 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체, 전극 조립체와 전해액을 수용하는 용기가 되는 각형 캔, 각형 캔의 개방된 상부를 마감하도록 캡 플레이트를 가지는 캡 어셈블리를 구비하여 이루어지는 베어 셀과
    바닥부와 상기 바닥부에서 수직하게 돌출되는 벽체부를 가지며, 상기 캡 플레이트 표면 일측에 형성된 전해액 주입구 위로 상기 바닥부 하면이 상기 캡 플레이트면에 결합되는 리드 플레이트를 가지는 각형 이차 전지에 있어서,
    상기 리드 플레이트에는 상기 바닥부의 상기 전해액 주입구에 대응되는 부분이 제거되어 상기 전해액 주입구를 밀봉하는 마개를 드러내도록 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해액 주입구는 상기 마개 위에 수지 봉지재가 덧 씌워져 마감되고,
    상기 홀은 상기 수지 봉지재를 포괄할 수 있는 각형으로 형성됨을 특징으로 하는 각형 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀은 펀칭(punching) 기법으로 형성됨을 특징으로 하는 각형 이차 전지.
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