KR100599598B1 - 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 집전판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 구조를 개선한 이차 전지에 관한 것으로, 외장캔; 상기 외장캔에 수납되고, 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극 조립체; 상기 외장캔에 조립되며, 상기 전극 조립체를 밀폐하면서 전류를 리드하는 캡 조립체; 상기 양극판과 음극판에 선택적으로 길이 방향의 측단부를 따라 활물질을 도포하지 않고 형성한 무지부; 및, 상기 무지부에 전기적으로 연결되며, 와류상의 접촉부가 형성된 집전판;을 포함해서 구성된다.
이차 전지, 집전판, 와류, 용접, 전극 조립체

Description

이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 집전판{SECONDARY BATTERY, ELECTRODES ASSEMBLY AND PLATE USING THE SAME}
본 명세서에 첨부되는 이 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극군의 모습을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 모습을 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 집전판을 도시한 사시도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 양극 집전판을 도시한 사시도이다.
도 6은 양극판의 무지부와 양극 접전판의 접촉 관계를 확대해서 보여주는 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 집전판을 도시한 사시도이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세히는 용접성을 개선한 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 그 용도나 전지 용량을 감안하면 하나 전지 셀이 팩 형태로 포장하여 사용하는 저용량 이차 전지(이하, '소형 전지)와, 전지 셀을 수십 개 모아 사용하는 전지 팩 단위의 모터 구동용 대용량 이차 전지(이하, '대형 전지')로 구분할 수 있다.
이중, 소형 전지는 주로 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자장치의 전원으로 사용되며, 대형 전지는 하이브리드 자동차에서처럼 모터 구동용 전원으로 사용된다.
소형 전지가 하나의 셀로써 구성될 때에는 주로 원통형이나 사각형의 외형을 가지고 형성되는 바, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극 조립체(또는, 젤리롤)를 형성하고, 이를 원통형의 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다.
그리고, 상기 양, 음극판에는 리드 단자 즉, 전지의 작용시 양, 음극판에서 발생된 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 탭(tap)이 각기 부착되며, 이 도전성 탭은 전극 조립체에 용접 등으로 부착되어 각기 양, 음극판에 발생된 전류를 양, 음극 단자로 유도하게 된다.
이처럼 구성된 소형 전지의 구조를 그대로 대형 전지에 적용하는 경우에는 용량이나 출력면에서 대형전지의 동작 특성을 만족시키지 못하기 때문에, 복수의 탭을 전극 조립체 사이에 부착하여 사용하는 멀티탭 구조가 일본국 공개특허 제2003-7346호에서 제안되었다. 이 이차 전지는 전극 조립체의 일 방향으로 복수의 탭을 형성하고, 이들 탭을 외부 단자와 연결하는 내부 단자와 결합한 구조이다.
이처럼 구성된 이차 전지의 탭들은 집전체와 일체로 형성하거나 별도로 구비되어 집전체에 용접된다. 그런데, 탭들이 집전체의 일부로 구성되는 경우에는 집전체 재료의 소모가 심하므로 대형 전지에서 원하는 출력 특성을 만족시키기 힘들고, 별도의 탭을 구비하는 경우에는 많은 작업 공수가 수요되는 문제점이 있다. 특히, 탭을 용접하는 경우에 탭으로부터 발생되는 열에 의해 전극 조립체가 영향을 받기 때문에, 이를 최소화하기 위해서 탭의 길이가 상대적으로 길어지게 된다. 이로 인해서 전지 내부에서 탭 점유 공간이 커지게 되어 단위 체적당 에너지 밀도를 떨어뜨리게 되는 문제점이 있다.
또한, 하이브리드 전기 자동차와 같은 곳에 팩 단위로 사용되는 대형 전지는 그 용도의 특성으로 인해서 고출력의 동작 특성을 요구한다. 때문에, 전류의 집전 과정에서 생기는 저항 성분이 최소가 되도록 탭을 설계할 필요가 있다. 그런데, 상술한 선행 기술에서는 단위 면적이 작은 탭을 통해서 집전이 이루어지기 때문에 저항이 상대적으로 커져 집전 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
이에, 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결해서, 탭의 용접성을 향상시키면서도 집전 효율을 증대한 본 발명의 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 순간적인 출력을 좋게 해서 하이브리드 전기 자동차와 같이 대형 전지가 요구되는 산업 분야에 적용 가능한 이차전지를 제공함에 있 다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이차 전지는,
외장캔;
상기 외장캔에 수납되고, 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극 조립체;
상기 외장캔에 조립되며, 상기 전극 조립체를 밀폐하면서 전류를 리드하는 캡 조립체;
상기 양극판과 음극판에 선택적으로 길이 방향의 측단부를 따라 활물질을 도포하지 않고 형성한 무지부; 및,
상기 무지부에 전기적으로 연결되며, 와류상의 접촉부가 형성된 집전판;을 포함해서 구성된다.
이때, 상기 무지부가 상기 양극판과 음극판에 서로 대향하는 방향으로 형성되고, 상기 무지부에 각각 집전판이 전기적으로 연결됨이 바람직하며, 적어도 어느 하나의 집전판이 상기 접촉부 사이를 따라 상기 집전판의 플레이트 일부를 절개해서 형성한 주입부를 구비한다.
선택적으로, 본 실시예의 이차전지는 적어도 2개 이상의 접촉부가 상기 집전판의 중심을 두고 균등하게 배치된 형상으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 접촉부가 중심에서 외곽을 향해 와류 모양으로 형성되며, 이때 주입부 역시 상기 접촉부 사이에 배치된 상태에서 중심에서 외곽을 향해 와류 모양으로 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 전극 조립체는,
양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 감겨져 형성된 전극군;
상기 양극판과 음극판에 선택적으로 길이 방향의 측단부를 따라 활물질을 도포하지 않고 형성한 무지부; 및,
상기 무지부에 전기적으로 연결되며, 와류상의 접촉부가 형성된 집전판;을 포함해서 구성된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 제공하는 이차전지용 집전판은,
판상으로 이루어진 플레이트;
상기 플레이트에서 돌기져 와류 모양으로 형성된 접촉부; 및,
상기 접촉부 사이를 따라 상기 플레이트의 일부를 절개해서 형성한 주입부;를 포함해서 이루어진다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다. 이를 참조해서 본 발명의 이차 전지를 설명하면 다음과 같다.
본 실시예의 이차전지는 원통형 또는 육면체 형상을 가지며 일부가 개방된 외장캔(11)에, 절연 물질인 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극 및 음극의 집전체(221, 231)를 권취해서 형성한 전극 조립체(20)를 삽입하고, 가스켓(32)을 매개로 외장캔(11)의 개방된 부분을 캡 조립체(30)로 밀봉한 형태로 이루어진다.
먼저, 외장캔(11)은 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸 등과 같은 도전성 금속재로 이루어지는데, 그 형상은 상기 전극 조립체(20)가 삽입 안착될 수 있는 공간이 형성된 원통형으로 형성됨이 바람직하나, 이에 한정될 필요는 없다.
다음으로, 전극 조립체(20)는 양극판(23)과 음극판(22) 사이에 세퍼레이터(21)를 개재하고, 이를 귄취해서 형성한 전극군(25)과, 상기 전극군(25)의 측단부(도면에서는 위, 아래)에 형성된 무지부(22b, 23b)와 선택적으로 연결된 집전판을 포함해서 이루어진다. 이 전극 조립체(20)에 대해서는 도면을 달리해서 아래에서 자세히 설명한다.
한편, 도 1에서는 원통형 케이스(11)에 젤리롤 타입의 전극 조립체(20)가 위치하는 경우를 예를 들어 도시하였으며, 이하에서도 이를 기준으로 설명하나 본 발명이 이에 한정되고자 함은 아니다.
그리고, 캡 조립체(30)는 외부 단자(31a)를 가지는 캡 플레이트(31)와, 상기 외장캔(11)과 상기 캡 플레이트(31)를 절연시키는 가스킷(32)을 포함하는데, 이 캡 조립체(30)에는 내부 압력을 완충시킬수 있는 공간부를 가지며 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 안전변(미도시)을 가지는 밴트 플레이트(33)가 더욱 포함될 수 있다. 상기 안전변은 밴트 플레이트(33)에 형성된 것에 한정되지 않고, 설정된 압력하에서 전극 조립체(20)와 외부단자(31a)를 전기적으로 단선시킬 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.
이처럼 구성된 캡 조립체(30)는 리드선(60)을 통해서 본 발명에 따른 전극 조립체(20)와 전기적으로 연결된다.
이하, 본 실시예에 따른 전극 조립체에 대해서 설명한다. 도 2는 본 실시예에 따른 전극 조립체의 일부를 구성하는 전극군의 분해 사시도이다.
본 실시예에서, 전극군(25)은 세퍼레이터(21)를 사이에 두고, 양극판(23)과 음극판(22)이 무지부(22b, 23b)를 길이 방향의 측단부를 따라 형성한 상태에서, 교대로 횡권되어 이루어진다.
보다 상세히, 각각의 양극 및 음극용 활물질(22a, 23a)을 집전체(221, 231)에 코팅해서 양극판(23)과 음극판(22)을 구성하고, 이들을 감아 젤리롤(jelly roll) 타입으로 전극군(25)을 형성한다. 이때, 상기 전극군(25)의 중심에는 형태를 유지하고, 극판(23, 22)들을 권취하기 편리하도록 권취심(미도시)이 위치할 수도 있다.
그리고, 양극판(23)과, 음극판(22) 각각에는 폭 방향 단부, 즉 집전체(221, 231) 가장 자리(도면의 위, 아래)에 활물질이 도포되지 않은 무지부(22b, 23b)가 형성된다. 이때, 상기 무지부(22b, 23b)는 전극군(25)을 사이에 두고 양극과 음극이 서로 대향하게 배치된다.
또한, 상기 무지부(22b, 23b)는 극판들(22, 23)이 권취될 때 위로(캡조립체가 결합되는 방향)는 양극 무지부(23b)가 전극군(25) 밖으로 나오도록 배치되고, 아래로는 음극 무지부(22b)가 나오도록 배치된다. 이에 따라, 전극군(25)의 위로는 양극 무지부(23b)가 돌출 형성되고, 아래로는 음극 무지부(22b)가 돌출된 형상을 이룬다.
이 상태에서, 도 3과 같이 전극군(25)의 위로는 양극 집전판(70)을 올려놓고, 아래로는 음극 집전판(50)을 상기 양극 집전판(70)과 서로 대향하도록 배치한 상태에서, 이들을 전극군(25)과 용접해서 고정시키는 것으로 전극 조립체(20)가 완성된다.
이에 따라, 양극 집전판(70)은 전극군(25)의 상부에 위치해서 캡 조립체(30)와 연결되어 전지의 양극을 형성하고, 음극 집전판(50)은 전극군의 아래에서 외장캔(11)과 연결되어 음극을 형성한다.
이에 대해서, 본 실시예에 따른 집전판을 도 4 내지 도 7을 가지고 설명하면서 자세히 살펴본다. 도 4는 본 실시예에 따른 양극 집전판을 도시하고 있다.
도면을 참조하면, 본 실시예의 양극 집전판(70)은 원판 형태의 플레이트(71)에 중심에서 외곽을 향해 와류상으로 돌기져 형성된 접촉부(73)와, 상기 접촉부 사이를 따라 플레이트(71)의 일부를 절개해서 형성한 주입부(75)를 포함해서 이루어진다.
이때, 상기 접촉부(73)는 슬릿(slit) 형태로 이루어져 돌출된 부분이 전극군 중 양극판(23)의 무지부(23b)를 향하도록 이루어진다. 이때, 접촉부(73)의 바닥면은 평탄하게 이루어져서 무지부(23b)와의 레이저 용접이 용이하도록 한다.
여기서, 상기 플레이트(71)는 그 형상이 도 4처럼 원형으로 한정되지 않고 삼각형, 사각형과 같이 다각형으로 이루어질 수 있음은 물론이다. 그리고, 상기 접촉부(73)는 원판으로 이루어진 플레이트(71)를 비딩 가공함으로써 형성될 수 있으 며, 플레이트(71)의 중앙에서 시작을 해서 외곽에서 끝나는 와류 형상으로 돌돌 말아진 모양으로 형성함이 바람직하다.
이렇게 접촉부(73)를 구성함으로써, 집전판(70)과 양극판(23)의 무지부(23b) 사이의 접촉 면적이 증대되고, 이로 인해서 둘(70, 23) 사이의 접촉 저항이 줄어 종래의 탭 구조보다 전류의 집전 효율을 증대시킬 수가 있다.
이처럼 형성된 접촉부(73) 사이를 따라서는 전해액 주입용 주입부(75)가 형성된다. 이때, 이 주입부(75)는 플레이트(71)의 상, 하를 연통시킨 홈 형태로 형성되며, 플레이트(71)의 중앙에서 시작을 해서 외곽에서 끝나는 와류 형상으로 형성된다. 이에 따라, 전해액을 전극군에 공급하기 위한 충분한 통로를 확보할 수 있으며, 나아가서는 전극군 중심과 외곽 전체에 대해서 균일하게 전해액을 제공할 수 있다.
이처럼 형성된 집전판(70)은 양극판(23)의 무지부(23b)와 접촉되게 전극군의 상면에 올려지게 되고, 이 상태에서 집전판(70)과 무지부(23b)가 전기적으로 연결된다. 즉, 집전판(70)의 접촉부(73)와 양극판(23)의 무지부(23b)가 서로 맞닿은 상태에서 이 접촉부(73)를 따라 레이저 용접을 함으로써 집전판(70)이 무지부(23b)와 결합된다(도 5참조).
선택적으로, 본 발명에 따른 집전판(70)은 도 5와 같은 모양으로도 형성될 수 있는데, 이 실시예의 집전판은 적어도 2개 이상의 접촉부(75)가 플레이트(71)의 중심에 대해서 균등하게 배치된 구조로 이루어진다. 도 5에서는 접촉부(73)가 4개로 구성된 경우를 예를 들어서 도시하였다. 그리고, 접촉부(73) 사이로는 주입부(75)가 배치된다.
이러한 집전판의 구조는 도 6에 도시한 음극용 집전판(50)에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다. 즉, 플레이트(51)를 비딩 가공해서 접촉부(53)를 음극판(22)의 무지부(22b)를 향하도록 형성한다. 이때, 접촉부(53)의 형상은 양극 집전판(70)과 동일하게 중심에서 외곽을 향하는 와류 모양으로 이루어진다.
이렇게 구성된 음극 집전판(50)은 이 접촉부(53)를 따라 무지부(22b)와 레이저 용접을 통해 전극군중 음극판(22)의 무지부(22b)와 결합된다.
이처럼, 전극군의 상, 하로 각각의 집전판(50, 70)이 고정된 상태로 전극 조립체(20)가 완성되고, 외장캔(11)에 양극 집전판(70)이 캡 조립체(30)를 향하도록 수납된다. 따라서, 음극판(22)과 서로 연결되어 있는 음극 집전판(50)이 외장캔(11)의 바닥면에 접촉되고, 이 상태에서 음극 집전판(50)과 바닥면을 저항 용접을 통해 고정하게 된다.
이때, 양극 집전판(70)의 중앙에 형성된 중공(77)을 통해서 저항 용접용 바(bar)가 캔(11) 내부로 삽입되어 음극 집전판(50)을 외장캔에 고정시키게 된다. 이에 따라, 외장캔(11)이 전지의 음극을 형성하게 된다.
선택적으로는 음극 집전판(50)을 사용하지 않고 음극 무지부(22b)를 외장캔(11)에 직접 접촉시켜 전지의 음극을 형성할 수도 있다.
다음으로, 양극 집전판(70)의 주입부(75)를 통해서 전해액을 외장캔(11) 내부로 공급해서 전극 조립체(20)를 함침시키게 된다. 또한, 양극판(23)과 전기적으로 연결되어 있는 양극 집전판(70)은 리드선(60)을 통해서 캡 조립체(30)와 전기적 으로 연결된다. 이에 따라, 캡 조립체(30)가 전지의 양극을 형성하게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면, 접촉 면적이 높아져 접촉 저항을 줄이면서 집전 효율을 높일 수가 있다. 또한, 작업 공정상 정확한 용접이 가능하도록 한다.
그리고, 상술한 문제점을 해결해서 대형 전지가 요구하는 동작 특성을 수용할 수가 있으며, 집전판과 전극 조립체간 고정을 더욱 견고히 할 수 있으므로 이로 인해서 제반되었던 종래 문제를 해결하며, 안정적으로 짧은 시간내에 충방전이 일어날 수 있도록 한다.

Claims (17)

  1. 외장캔;
    상기 외장캔에 수납되고, 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극 조립체;
    상기 외장캔에 조립되며, 상기 전극 조립체를 밀폐하면서 전류를 리드하는 캡 조립체;
    상기 양극판과 음극판에 선택적으로 길이 방향의 측단부를 따라 활물질을 도포하지 않고 형성한 무지부; 및,
    상기 무지부에 전기적으로 연결되며, 와류상으로 돌출된 접촉부가 형성된 집전판;을 포함해서 구성된 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무지부가 상기 양극판과 음극판에 서로 대향하는 방향으로 형성되고, 상기 무지부에 각각 집전판이 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    적어도 어느 하나의 집전판이 상기 접촉부 사이를 따라 상기 집전판의 플레이트 일부를 절개해서 형성한 주입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 2개 이상의 접촉부가 상기 집전판의 중심을 두고 균등하게 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접촉부가 중심에서 외곽을 향해 와류 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 주입부가 중심에서 외곽을 향해 와류 모양으로 상기 접촉부 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접촉부가 슬릿(slit) 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 외장캔이 원통형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 감겨져 형성된 전극군;
    상기 양극판과 음극판에 선택적으로 길이 방향의 측단부를 따라 활물질을 도포하지 않고 형성한 무지부; 및,
    상기 무지부에 전기적으로 연결되며, 와류상으로 돌출된 접촉부가 형성된 집전판;을 포함해서 구성된 이차전지의 전극 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 무지부가 상기 양극판과 음극판에 서로 대향하는 방향으로 형성되고, 상기 무지부에 각각 집전판이 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극 조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    적어도 어느 하나의 집전판이 상기 접촉부 사이를 따라 상기 집전판의 플레이트 일부를 절개해서 형성한 주입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극 조립체.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 집전판의 접촉부가 상기 전극군의 횡권된 방향과 동일한 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극 조립체.
  13. 판상으로 이루어진 플레이트;
    상기 플레이트에서 돌기져 와류 모양으로 돌출 형성된 접촉부; 및,
    상기 접촉부 사이를 따라 상기 플레이트의 일부를 절개해서 형성한 주입부;를 포함해서 이루어진 이차전지의 집전판.
  14. 제13항에 있어서,
    적어도 2개 이상의 접촉부가 상기 플레이트의 중심을 두고 규칙적으로 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지의 집전판.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 접촉부가 중심에서 외곽을 향해 와류 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 집전판.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 주입부가 중심에서 외곽을 향해 와류 모양으로 상기 접촉부 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 이차전지의 집전판.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 접촉부가 슬릿(slit) 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지의 집전판.
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