KR100561300B1 - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

용기형 캔, 캔의 개구부를 통해 캔에 내장되는 전극 조립체, 캔의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 포함하여 이루어지는 베어 셀의 적어도 일 측면에 보호회로 기판이 갭을 가지고 결합되고, 그 갭과 보호회로 기판의 전면에 수지 몰드가 형성되어 이루어지는 이차 전지에 있어서, 보호회로 기판의 일부에 상기 갭을 채우는 수지 몰드와 상기 보호회로 기판 전면의 수지 몰드를 연결하는 통로가 설치되는 것을 특징으로 하는 이차 전지가 개시된다.

Description

이차 전지 {Secondary Battery}
도1은 성형 수지에 의해 결합되기 전 단계에 있는 종래의 리튬 이온 수지 팩 전지의 일 예에 대한 개략적 분해 사시도,
도2는 수지 팩 이차 전지를 만들기 위해 베어 셀과 보호회로 기판 조립체를 틀에 고정하고 성형 수지 몰딩을 하는 상태를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명 형성을 위한 베어 셀 부품과 보호회로 기판 조립체 상태의 리튬 팩 전지에 대한 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예를 형성하기 위해 베어 셀과 보호회로 기판 조립체 상태의 이차 전지가 성형 수지 틀에 고정된 상태에서 보호회로 기판의 개공 가운데 하나의 중심을 지나는 단면을 나타내는 측단면도,
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 주연부에 홈이 형성된 보호회로 기판의 평면 윤곽만을 개략적으로 나타내는 평면도이고,
도6은 도5와 같은 보호회로 기판이 사용된 이차 전지 조립체가 성형 수지 틀에 고정된 상태에서 홈을 지나는 단면을 나타내는 측단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 베어 셀 111: 양극 단자
113: 단자용 통공 112: 전해액 주입공
130: 음극 단자 110: 캡 플레이트
120: 가스켓 150: 단자 플레이트
160: 마개 190: 절연 케이스
191: 리드 통공 192: 전해액 통과공
20: 성형 수지부 217: 음극 리드
211: 캔 212: 전극 조립체
213: 양극 214: 세퍼레이트
215: 음극 216: 양극 리드
30,300: 보호회로 기판 35: 회로부
36,37,360,370: 접속 단자 31,32,310,320: 외부 단자
330: 개공 340: 홈
41,42: 접속 리드 410,420: 리드 플레이트
43,140,430: 절연 플레이트 500: 성형 수지 틀
510: 주입구 520: 제1 공간
530: 제2 공간
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 조립체, 캔, 캡 조립체를 구비하여 이루어진 베어 셀(bare cell)과 베어 셀에 보호회로 기판을 전 기적으로 접속하여 이루어지는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성으로 인하여 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.
그런데, 전지는 에너지원으로서 많은 에너지를 방출할 가능성을 가지고 있다. 이차전지의 경우, 에너지를 충전된 상태에서 자체에 높은 에너지를 축적하고 있으며, 충전하는 과정에서는 다른 에너지원으로 부터 에너지를 공급받아 축적하게 된다. 이런 과정이나 상태에서 내부 단락 등 이차 전지의 이상이 발생하는 경우, 전지 내에 축적된 에너지가 단시간에 방출되면서 발화, 폭발 등의 안전 문제를 일으킬 수 있다.
따라서, 이차 전지에는 충전된 상태에서 혹은 충전하는 과정에서 전지 자체의 이상으로 인한 발화나 폭발을 막기 위해 여러 가지 안전 장치가 구비된다. 안전 장치들은 통상 리드 플레이트(lead plate)라 불리는 도체구조에 의해 베어 셀의 양극 단자 및 음극 단자와 연결된다. 이들 안전 장치는 전지의 고온 상승이나, 과도한 충방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 등의 경우에 전류를 차단해 전지의 파열, 발화 등 위험을 방지하게 한다. 안전 장치로서 베어 셀에 연결되는 것으로는 이상 전류나 전압을 감지하여 전류 흐름을 막는 보호회로, 이상 전류에 의한 과열로 작동하는 PTC(positive temperature coefficient)소자, 바이메탈 등이 있다.
베어 셀과 안전 장치가 결합된 상태의 이차 전지는 초기에는 별도의 케이스에 수납되어 완성된 외관을 갖춘 이차 전지를 이루게 된다. 이후, 이차 전지는 베 어 셀과 보호회로 기판 등의 안전 장치 단자를 먼저 용접 등으로 연결하고, 성형 수지 틀에 고정하여 베어 셀과 보호회로 기판 사이 공간 혹은 안전 장치 주변을 모두 감싸도록 성형 수지를 채워 베어 셀과 보호회로를 물리적으로 결합시킨 수지 팩 이차 전지로 이루어지는 경우가 많다.
수지 팩 이차 전지의 경우, 베어 셀에 보호회로 기판을 부착한 코아 팩을 케이스에 넣어 완성하는 경우에 비해 외관을 몰딩으로 매끈하게 하거나, 케이스에 해당하는 두께를 줄일 수 있고, 케이스에 장입하는 불편이 없다는 이점이 있다.
도1은 성형 수지에 의해 결합되기 전 단계에 있는 종래의 리튬 이온 수지 팩 전지의 일 예에 대한 개략적 분해 사시도이며, 도2는 수지 팩 이차 전지를 만들기 위해 베어 셀과 보호회로 기판 조립체를 틀에 고정하고 성형 수지 몰딩을 하는 상태를 나타내는 단면도이다.
도1에는 편의상 중심선이 꺽여 도시되나 팩형 전지에서 베어 셀의 전극 단자(130, 111)가 형성된 면에 나란히 보호회로 기판(30)이 배치된다. 베어 셀(100)에는 보호회로 기판(30)과 대향하는 측면에는 양극 단자(111), 음극 단자(130)가 형성되어 있다. 양극 단자(111)는 알미늄 혹은 알미늄 합금으로 이루어지는 캡 플레이트 자체이거나 캡 플레이트 상에 결합된 니켈 함유 금속 판이 될 수 있다. 음극 단자(130)는 캡 플레이트 상에 돌기 모양으로 돌출된 단자이며, 주위에 개재된 절연체 가스켓에 의해서 캡 플레이트(110)와 전기적으로 격리되어 있다.
보호회로 기판(30)은 수지로 이루어진 판넬에 회로가 형성되어 이루어지고, 외측 표면에 외부 단자(31, 32) 등이 형성되어 있다. 이 기판(30)은 베어 셀(100)의 대향 면(캡 플레이트면)과 거의 같은 크기와 모양을 가진다.
보호회로 기판(30)에서 외부 단자(31,32)가 형성된 이면, 즉, 내측면에는 회로부(35) 및 접속 단자(36, 37)가 구비된다. 회로부(35)에는 충방전시에 있어서 과충전, 과방전으로부터 전지를 보호하기 위한 보호 회로 등이 형성되어 있다. 회로부(35)와 각각의 외부 단자(31, 32)는 보호회로 기판(30)을 통과하는 도전구조에 의해 전기 접속되어 있다.
베어 셀(100)과 보호회로 기판(30) 사이에는 접속 리드(41, 42) 및 절연 플레이트(43) 등이 배치되어 있다. 접속 리드(41, 42)는 통상 니켈로 이루어지고 캡 플레이트(110) 및 보호회로 기판(30)의 접속 단자(36,37)와의 전기 접속을 위해 형성되며 'L'자형 구조 혹은 평면적 구조로 이루어진다. 접속 리드(41, 42)와 각 단자( 36, 37)의 접속을 위해서는 저항 스폿 용접이 사용될 수 있다.
본 예에서는 보호회로 기판과 음극 단자 사이에 있는 접속 리드(42)에는 브레이커(breaker) 등이 별도로 형성된 경우를 나타내고 있다. 이 경우, 보호회로 기판의 회로부(35)에는 브레이커는 제외된다. 절연 플레이트(43)는 음극 단자(130)와 접속되는 접속 리드(42)와, 양극이 되는 캡 플레이트 사이를 절연하기 위해서 설치된다.
그런데, 수지 팩 이차 전지를 형성하기 위해 도2와 같이 보호회로 기판(30)과 베어 셀 조립체를 성형 수지 틀(500)에 고정하고 수지를 부어넣어 몰드를 형성할 때, 주입구(510)와 바로 연결되는 제1 공간(520)에 수지가 채워지는 것은 큰 문 제가 없을 것이나, 제2 공간(530)에 수지가 채워지는 것이 문제가 된다. 즉, 제2 공간(530)은 제1 공간(520)을 통해 수지를 공급받는데, 제1 공간과 제2 공간은 별도의 연결 통로가 없다면 보호회로 기판(30)이 이들 사이에 수지가 이동되는 것을 막기 때문이다. 이런 현상은, 통상 성형 수지 틀(500) 내부 공간이 보호회로 기판(30)쪽과 베어 셀쪽이 거의 동일하도록 만들지고, 보호회로 기판이 베어 셀의 캡 플레이트(110)와 거의 같은 크기로 이루어지기 때문이다.
수지의 유동이 방해될 경우, 몰드 속에 갭이나 핀홀이 발생하여 기계적 강도를 떨어뜨리고, 외관 불량을 일으키며, 수지의 충전 속도가 떨어져 공정 능률이 저하된다. 충전 속도를 높이기 위해서는 수지의 온도가 상승되어야 하거나, 수지의 주입 압력이 높아지게 된다. 이런 경우, 몰드에 닿는 PTC 소자 등이 열에 의해 기능이 파괴도거나, 보호회로 기판의 위치가 흔들려 외부 단자 면에 수지가 묻어 가려지는 현상이 발생할 수 있다. 성형 수지 틀에 별도의 통로를 마련하는 것은 성형 수지 틀 제조를 어렵게 하며, 성형 후에 후 가공이 필요한 경우가 많아 비용을 증가시킬 수 있다.
이런 문제를 제거하기 위해 보호회로 기판의 크기를 대향되는 베어 셀의 캡 플레이트에 비해 작게 만드는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 보호회로 기판이 작아질 경우, 보호회로 기판에 필요한 소자를 형성하기 어려워져 비용이 증가되는 문제가 있다. 또한, 성형 수지 틀에서 보호회로 기판을 고정하기가 어려워질 수 있고, 이 경우, 보호회로 기판의 위치가 틀어져 몰딩이 이루어진 상태에서 외부 단자가 제 위치에서 벗어나 드러나지 않는 등의 불량이 발생할 수 있다.
본 발명은 상술한 종래 수지 팩 이차 전지의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수지 몰드를 형성하는 과정에서 보호회로 기판의 크기를 전체적으로 줄이지 않으면서도 보호회로 기판이 수지의 유동을 방해하지 않는 구성을 가지는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 수지 몰드가 형성되는 모든 공간에 갭이나 핀홀 발생을 방지할 수 있으면서도 주입되는 수지의 온도를 높이거나 압력을 높여야 하는 문제가 없는 구성을 가지는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 용기형 캔, 캔의 개구부를 통해 캔에 내장되는 전극 조립체, 캔의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 포함하여 이루어지는 베어 셀의 적어도 일 측면에 보호회로 기판이 갭을 가지고 결합되고, 그 갭과 보호회로 기판의 전면에 수지 몰드가 형성되어 이루어지는 이차 전지에 있어서,
보호회로 기판의 일부에 상기 갭을 채우는 수지 몰드와 상기 보호회로 기판 전면의 수지 몰드를 연결하는 통로가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 통로는 보호회로 기판과 베어 셀이 성형 수지 틀에 고정된 상태에서 액상의 수지가 유동될 수 있는 통로의 역할을 할 수 있는 것이다. 따라서, 보호회로 기판의 장변 사이의 중앙부에 장변과 나란하게 통공이 복수개로 형성되어 통로를 이룰 수 있고, 수지 몰딩을 할 때 성형 수지 틀 내벽과 만나는 보호회로 기판의 주연부에 홈의 형태로 통로가 이루어질 수도 있다.
본 발명에서 통로는 성형 수지의 이동을 원활히 하기 위해 개공이나 홈의 직경 혹은 최소폭은 1mm 이상으로 하는 것이 하는 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 형성하는 과정을 통해 본 발명을 좀 더 상세히 살펴본다.
도 3은 본 발명 형성을 위한 베어 셀 부품과 보호회로 기판 조립체 상태의 리튬 팩 전지에 대한 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 리튬 팩 전지는 캔(211)과, 이 캔(211)의 내부에 수용되는 전극 조립체(212)와, 캔(211)의 개방된 상단과 결합하여 캔 상단을 밀봉하는 캡 조립체를 구비하여 이루어지는 베어 셀을 가진다.
전극 조립체(212)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 양극(213), 세퍼레이터(214), 음극(215), 세퍼레이터의 적층체를 와형으로 권취하여 형성한다.
양극(213)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예컨대 알미늄 호일로 된 양극 집전체와, 그 양면에 코팅된 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층을 포함하고 있다. 양극(213)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 리드(216)가 전기적으로 연결되어 있다.
음극(215)은 전도성의 금속 박판, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질층을 포함하고 있다. 음극(215)에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 리드(217)가 접속되어 있다.
양극(213) 및 음극(215)과, 양극 및 음극 리드(216,217)는 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 양극 및 음극 리드(216,217)가 전극 조립체(212)로부터 인출되는 경계부에는 두 전극(213,215)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(218)가 각각 감겨져 있다.
세퍼레이터(214)는 폴리 에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어져 있다. 세퍼레이터(214)는 양극 및 음극(213)(215)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판간의 단락을 방지하는데 유리하다.
본 실시예와 같은 각형 캔(211)은 대략 직육면체의 형상을 가진 알미늄 혹은 알미늄 합금으로 형성된다. 캔(211)의 개방된 상단을 통해 전극 조립체(212)가 수용되어 캔(211)은 전극 조립체(212) 및 전해액의 용기 역할을 하게된다. 캔(211)은 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하나 본 실시예에서는 캡 조립체의 캡 플레이트(110)가 양극단자의 역할을 수행하게 된다.
캡 조립체에는 캔(211)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(110)가 마련되어 있다. 캡 플레이트(110)의 중앙부에는 전극 단자가 통과할 수 있도록 단자용 통공(113)이 형성된다. 캡 플레이트(110)의 중앙부를 관통하는 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) 중앙부, 단자용 통공(113) 근방에는 캡 플레이트(110) 하면에 절연 플레이트(140)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(140)의 아랫면에는 단자 플레이트(150)가 설치되어 있다.
음극 단자(130)는 가스켓(120)이 외주면을 감싼 상태에서 단자용 통공(113)을 통하여 삽입되어 있다. 음극 단자(130)의 저면부는 절연 플레이트(140)를 개재한 상태에서 단자 플레이트(150)와 전기적으로 연결되어 있다.
캡 플레이트(110) 하면에는 양극(213)으로부터 인출된 양극 리드(216)가 용접되어 있으며, 음극 단자(130)의 하단부에는 음극(215)으로부터 인출된 음극 리드(217)가 사행으로 접혀진 상태에서 용접되어 있다.
한편, 전극 조립체(212)의 상면에는 전극 조립체(212)와 캡 조립체와의 전기적 절연을 위하고, 이와 동시에 상기 전극 조립체(212)의 상단부를 커버할 수 있도록 절연 케이스(190)가 설치되어 있다. 전극 조립체(212)의 중앙부와 음극 리드(217)가 통과할 수 있도록 리드 통공(191)이 형성되고, 다른 측방에는 전해액 통과공(192)이 형성되어 있다.
캡 플레이트(110)의 일측에는 전해액 주입공(112)이 형성되어 있다. 상기 전해액 주입공(112)에는 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입공을 밀폐시키기 위하여 마개(160)가 설치된다. 캡 조립체를 캔(211)과 결합시키는 방법으로 캡 플레이트(110) 주변부와 캔(211) 측벽의 용접이 이루어진다.
캡 플레이트(110) 위에는 평행한 측벽을 가지고, 측벽의 하부를 연결하며 마개(160) 부분에 통공을 가지는 저면으로 형성된 리드 플레이트(410)가 마개(160) 주변에 용접된다. 리드 플레이트는 전기 접속을 위한 것이나, 성형 수지부와의 경계면에서 측벽이 상기 성형 수지부 방향으로 돌출될수록 성형 수지부 속에 박혀 성형 수지부와 베어 셀을 고정시켜주는 역할을 할 수 있다.
리드 플레이트(410)는 니켈, 니켈 합금 혹은 니켈 도금된 스테인레스강 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 리드 플레이트(410)의 두께는 캔의 두께와 용접 편의와 관련되며, 두껍게 형성될 경우, 캡 조립체로 밀봉한 전지 캔(211)과 보호회로 기판(300) 사이의 공간을 수지로 채워 형성하는 팩 전지에서 전지를 비틀거나(twisting) 구부릴(bending) 때 외력에 대한 저항 강도를 높일 수 있으므로 유리한 측면이 있다.
보호회로 기판(300)은 합성 수지 판넬에 회로칩들을 포함하여 회로가 형성되어 이루어지고, 보호회로 기판(300)에서 회로가 형성되지 않은 부분들에는 원형 혹은 방형의 개공(330)이 복수개 형성되어 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 형성하기 위해 베어 셀과 보호회로 기판 조립체 상태의 이차 전지가 성형 수지 틀에 고정된 상태에서 보호회로 기판의 개공 가운데 하나를 지나는 측단면을 나타낸다.
도4와 같은 상태에서 액상의 수지가 주입구(510)를 통해 주입되면 수지는 먼저 제1 공간(520)을 채우면서 액위가 상승한다. 물론 수지의 일부는 성형 수지 틀(500)과 보호회로 기판(300) 사이의 작은 틈을 통해 제2 공간(530)을 채워갈 것이다. 액위가 개공(330)에 이르면 개공(330)을 통해 액상 수지가 빠르게 제2 공간(530)으로 이동하여 제1 공간(520)의 액위 상승보다 높은 비율로 제2 공간(530)을 채우게 된다. 개공의 크기는 수지의 점도 등과 공정에서 요구되는 채움 속도 등을 고려하여 결정하나 직경 혹은 최소폭을 1mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
결과적으로 수지의 액위는 제1 공간과 제2 공간에서 같은 수준이 되어 모든 공간을 채우게 된다. 공간을 채우고 있던 공기는 비록 작은 틈이지만 성형 수지 틀(500) 내부공간의 상면과 보호회로 기판(300) 사이로 빠져나가 주입구(510)와 나란히 형성되는 별도의 공기 배출구(미도시)를 통해 혹은 성형 수지 틀 사이의 틈을 통해 배출될 수 있다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보호회로 기판의 평면 윤곽만을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도6은 도5와 같은 보호회로 기판을 사용하여 수지 팩 이차 전지를 형성할 때 이차 전지 조립체가 성형 수지 틀에 고정된 상태를 나타내는 측단면도이다. 단, 측단면은 도5의 보호회로 기판 주연부의 홈 부분을 지나는 것으로 한다.
도5에서는 도3에서 나타나는 보호회로 기판 상의 개공 대신에 보호회로 기판(300) 주연부에 홈(340)이 형성된다. 홈(340)도 보호회로 기판(300) 상에 회로가 형성되지 않는 부위에 가능한한 크게 형성하도록 한다.
도6을 참조하여 설명하면, 도6과 같은 상태에서 액상의 수지가 주입구(510)를 통해 주입되면 수지는 먼저 제1 공간(520)에 투입된다. 제1 공간(520)에 액위가 상승하면서 수위차에 의한 압력으로 보호회로 기판 하부측 홈(340)을 통해 수지는 제2 공간(530)으로도 유입된다. 이런 방식으로 제1 공간에 투입되는 액상 수지는 제2 공간도 함께 채우게 된다. 하부 홈(340)을 충분히 크게 하면 제1 공간(520)과 제2 공간(530)의 수지 액위는 거의 같은 비율로 상승할 것이며, 이들 공간은 함께 채워질 것이다. 공간을 채우고 있던 공기는 비록 작은 틈이지만 성형 수지 틀 내부 공간의 상면과 보호회로 기판 사이로 도5에서와 같은 방식으로 빠져나갈 수 있고, 더욱이 상부 홈을 통해 충분히 빠져나갈 수 있다.
본 발명에 따르면, 수지 몰드를 형성하는 과정에서 보호회로 기판의 크기를 전체적으로 줄이지 않으면서도 보호회로 기판 상에 형성된 개공이나 홈을 통해 수지가 유동될 수 있다. 따라서 보호회로 기판에 의해 구분되는 두 공간 사이에도 수지가 유동되어 수지가 모든 공간에서 빠짐없이 균등하게 몰드를 형성할 수 있다.
따라서, 수지 몰드가 형성되는 모든 공간에 갭이나 핀홀 발생을 방지할 수 있고, 주입되는 수지의 온도를 높이거나 압력을 높여야 하는 문제도 없어진다.

Claims (4)

  1. 용기형 캔, 상기 캔의 개구부를 통해 캔에 내장되는 전극 조립체, 상기 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 포함하여 이루어지는 베어 셀의 적어도 일 측면에 보호회로 기판이 갭을 가지고 결합되고, 상기 갭과 상기 보호회로 기판의 전면(前面)에 수지 몰드가 형성되어 이루어지는 이차 전지에 있어서,
    상기 보호회로 기판의 일부에 상기 갭을 채우는 수지 몰드와 상기 보호회로 기판의 전면에 위치한 수지 몰드를 연결하는 통로가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 통로는 상기 보호회로 기판의 회로가 없는 부분에 개공 형태로 적어도 하나 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 통로는 상기 보호회로 기판의 주연부에 홈의 형태로 적어도 하나 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 통로의 직경 또는 최소 폭이 1mm 이상 되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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