KR100599713B1 - 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이차 전지는, 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 포함하는 극판을 권취해서 이루어진 전극군; 상기 전극군이 수납되는 캔; 상기 캔에 조립되어 이를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체; 및, 상기 전극군에 결합되는 음극 집전판;을 포함하고, 상기 음극 집전판이 부분적으로 코팅된 제1 접착부;를 통해서 상기 전극군에 고정되고, 코팅되지 않은 제2 접착부:를 통해서는 상기 캔에 고정되는 구조로 이루어진다.

이차 전지, 집전판, 무지부, 용접, 전극 조립체, 도금

Description

이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체{SECONDARY BATTERY AND ELECTRODES ASSEMBLY}

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 음극 집전판의 모습을 보여주는 사시도이다.

도 4는 도 3의 I-I'선에 따른 단면도이다.

도 5는 음극 무지부와 음극 집전판, 그리고 음극 집전판과 캔의 접촉 관계를 보여주는 도면이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세히는 용접성을 개선한 이차 전지에 관한 것이다.

이차 전지는 그 용도나 전지 용량을 감안하면, 하나 또는 수 개의 전지 셀을 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 셀로서 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 멀티 탭 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 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 이차 전지는,

세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 포함하는 극판을 권취해서 이 루어진 전극군;

상기 전극군이 수납되는 캔;

상기 캔에 조립되어 이를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체; 및,

상기 전극군에 결합되는 음극 집전판;을 포함하고,

상기 음극 집전판이 부분적으로 코팅된 제1 접착부;를 통해서 상기 전극군에 고정되고, 코팅되지 않은 제2 접착부:를 통해서는 상기 캔에 고정되는 구조로 이루어진다.

이때, 상기 캔은 니켈로 코팅되고, 상기 음극 집전판은 부분적으로 니켈 코팅되어 상기 제1 접착부를 이루고 있다.

또한, 상기 제2 접착부는 상기 캔을 향해 돌출 형성되고, 상기 제2 접착부는 상기 음극 집전판의 중심에서 원 모양으로 형성된다.

또한, 상기 제1 접착부는 상기 제2 접착부를 중심에 두고 방사상으로 적어도 2개 이상이 배치되는 구조로 이루어진다.

이러한 본 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 상기 전극군이 원통형 젤리롤 형태로 형성해서 이차 전지의 형상이 원통형으로 형성됨이 바람직하며, 이러한 셀 단위의 이차전지가 직렬로 복수개 연결되어 하이브리드 전기 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)용도로 사용됨이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 발명은 이차 전지용 전극 조립체로,

세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군;

선택적으로 상기 음극판에 길이 방향의 단부를 따라 활물질을 도포하지 않고 형성한 무지부; 및,

부분적으로 니켈 코팅된 제1 접착부;와, 코팅되지 않은 제2 접착부가 서로 반대 방향으로 돌출 형성되고, 상기 무지부에 제1 접착부를 통해서 고정되는 음극 집전판;을 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 캔(11)에, 절연 물질인 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극판(23) 및 음극판(22)을 권취해서 형성한 전극 조립체(20)를 삽입하고, 가스켓(32)을 매개로 캔(11)의 개방된 부분을 캡 조립체(30)로 밀봉한 형태로 이루어진다.

먼저, 캔(11)은 알루미늄이나 알루미늄 합금 물질을 부식 방지용 니켈로 도금한 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 길이 방향 단부(도면에서는 위, 아래)에 형성된 무지부(23b, 22b)와 선택적으로 연결된 양, 음극 집전판(70, 50)을 포함해서 이루어진다. 이 전극 조립체(20)에 대해서는 아래에서 자세히 설명한다.

한편, 도 1에서는 캔(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 캔(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 방출하는 것으로 전지의 폭발을 방지하는 안전변(미도시)을 가지는 밴트 플레이트(33)가 더욱 포함될 수 있다.

상기 가스킷(32)은 절연 물질로 구성되어서 캔(11)을 밀봉하면서도 양극으로 이루어지는 캡 조립체(30)와 음극으로 이루어지는 캔(11) 사이를 절연시키게 된다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 후술될 것이다.

이처럼 구성된 캡 조립체(30)는 리드선(60)을 통해서 본 발명에 따른 전극 조립체(20)와 전기적으로 연결된다.

이하, 도 2를 참조로 본 실시예에 따른 전극군에 대해서 설명한다.

본 실시예에서, 전극군(25)은 양극판(23)과 음극판(22)이 무지부(22b, 23b)를 길이 방향의 단부를 따라 형성한 상태에서, 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 교대 로 횡권해서 이루어진다.

보다 상세히, 양극 및 음극용 활물질(23a, 22a)을 각각의 집전체(231, 221)에 코팅해서 양극판(23)과 음극판(22)을 구성하고, 이들을 감아 젤리롤(jelly roll) 타입으로 전극군(25)을 형성한다. 이때, 전지에서 양극을 형성하는 양극 집전체(231, 221)는 알루미늄 재질로 이루어지고, 음극의 집전체(221)는 구리 재질로 이루어진다.

그리고, 양극판(23)과, 음극판(22) 각각에는 길이 방향의 단부, 즉 집전체(231, 221) 가장 자리(도면의 위, 아래)에 활물질이 도포되지 않은 무지부(23b, 22b)가 형성된다. 이때, 상기 무지부(23b, 22b)는 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극과 음극이 서로 엇갈리게 배치된다.

또한, 상기 무지부(23b, 22b)는 극판들(23, 22)이 권취될 때 위로(양극 집전판이 결합되는 방향)는 양극 무지부(23b)가 전극군 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.

이렇게 전극군(25)을 구성한 상태에서, 전극군(25)의 위로는 양극 집전판(70)을 무지부(23b)에 접촉되도록 올려놓고, 아래로는 음극 집전판(50)을 음극 무지부(22b)에 접촉시킨 상태에서, 이들을 전극군(25)과 용접해서 고정시키는 것으로 전극 조립체(20)가 완성된다.

이때, 상기 집전판 각각은 상기 집전체와 동일 물질로 제작이 되는데, 즉 양 극 집전판(70)은 알루미늄으로 제작되고, 음극 집전판(50)은 구리로 제작된다. 때문에, 동일 물질로 이루어진 음극 집전판(50)과 음극 무지부(22b)가 서로 접촉하게 되는데, 잘 알려진 바처럼 구리-구리간 용접은 매우 어려운 단점이 있어 음극 집전판(50)과 음극 무지부(22b) 사이의 고정이 힘들다는 문제가 발생한다.

이에, 본 발명에서는 이 같은 문제점을 해결하고자, 아래와 같은 음극 집전판을 개시한다.

도 3은 본 실시예에 따른 음극 집전판의 모습을 보여주는 사시도이고, 도 4는 도 3의 I-I'선을 따라 절단한 단면도이다.

이들을 참조하면, 본 실시예의 음극 집전판(70)은 전극군(25)과 동일한 형상의 플레이트(51)에 음극 무지부(22b)와 접촉해서 고정되는 제1 접착부(53)와, 캔과 고정되는 제2 접착부(55)를 형성해서 이루어진다.

여기서, 상기 플레이트(51)는 구리 재질로 제작되며, 그 형상이 도 3과 같이 원형으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없고 전극군(25)의 단면 형상과 동일하게 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서, 다양한 형태로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 제1 접착부(53)는 슬릿(slit) 형태로 이루어져 돌기진 부분이 음극 무지부(22)를 향하도록 이루어진다. 이때, 제1 접착부(53)의 돌기진 면은 평탄하게 이루어져서 음극 무지부(22b)와의 접촉이 용이하도록 이루어진다. 이 제1 접착부(53)는 원판으로 이루어진 플레이트(51)를 비딩 가공하는 것으로 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예에서 제1 접착부(53)는 플레이트의 중심(또는, 이하에서 설명되는 제2 접착부의 중심)을 두고 방사상으로 다수개가 배치된 구조로 이루어진 다. 이러한 일 예의 하나로 도 3에서는 상기 접착부(53)가 4개(53a, 53b, 53c, 53d)로 구성된 경우를 도시하였다.

그리고, 상기 제1 접착부(53)에는 코팅층(C)이 마련되어서 전해액에 의한 금속의 산화를 방지하면서도 음극 무지부(22b)와의 용접이 용이하게 이루어질 수 있도록 구성된다. 즉, 음극 무지부(22b)와 집전판(50)은 동일한 구리 재질로 제작이 되기 때문에 용접이 잘 이루어지지 않으므로 그 사이에 코팅층(C)을 두어, 이를 매개로 둘 사이의 용접이 용이하게 이루어질 수 있도록 한다. 이때, 상기 코팅 물질로는 니켈이 바람직하게 이용될 수 있다.

또한, 본 실시예의 음극 집전판(50)은 캔(11)과 접촉되는 제2 접착부(55)를 더 구비하는데, 상기 제2 접착부(55)는 상기 제1 접착부(53)와 반대 방향으로 캔(11)을 향해 돌기져 이루어진다. 이때, 상기 제2 접착부(55)는 구리 재질이 그대로 드러나도록 코팅층(C)을 형성 않는 것이 바람직하다. 이렇게 구성하는 한 가지 방법으로, 제2 접착부(55)에 패턴된 마스크를 씌어서 코팅 작업을 실시하는 방법이 있을 수 있다.

이처럼 형성된 음극 집전판(50)은 전극군(25)의 음극 무지부(22b)가 위로 향하도록 위치시킨 상태에서, 이 음극 무지부(22b)와 접촉되게 전극군(23)의 상면에 올려지게 되고, 이 상태에서 음극 집전판(50)과 음극 무지부(22b)가 전기적으로 연결된다. 즉, 집전판(50)의 제1 접착부(53)와 음극판(22)의 무지부(22b)가 서로 맞닿은 상태에서 이 제1 접착부(53)를 따라 레이저 용접을 함으로써 음극 집전판(50)이 무지부(22b)에 결합된다. 이때, 구리-니켈 사이의 이종 접합을 통해서 용접 작 업이 실시되므로 음극 집전판(50)과 음극 무지부(22b) 사이의 고정이 쉽게 이루어진다.

이에 추가해서, 양극 무지부(23b)에도 음극 집전판(50)과 유사한 형태의 양극 집전판(70)이 더 부가될 수 있다.

이처럼 전극군에 음극 집전판을 고정해서 전극 조립체(20)가 완성되고, 캔(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. 즉, 캔의 바닥을 향해서 돌출된 제2 접착부(55)가 캔의 바닥에 접합해서 접합면(S)을 형성하고, 양극 집전판(70)의 중앙에 형성된 중공(77)을 통해서 저항 용접용 바(bar)가 캔(11) 내부로 삽입되어 상기 접합면(S)을 통해 음극 집전판(50)을 캔(11)에 고정시킨다. 이때, 상기 캔의 내부는 산화 방지를 위해서 니켈로 도금되는 것이 바람직하며, 이로써 상기 접합면(S)이 구리와 니켈의 이종 접합을 형성하므로 저항 용접을 쉽게 이룰 수 있도록 하는 장점이 있다.

이에 따라, 외장캔(11)이 전지의 음극을 형성하게 된다.

다음으로, 캔(11)의 개방된 부분을 통해서 전해액을 외장캔(11) 내부로 공급하는 것으로 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 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 캡 조립체(30)가 전지의 양극을 형성하게 된다.

이때, 상기 캡 조립체(30)는 집전판 구조가 아니라 탭 구조에 의해서도 전극 조립체(20)와 연결될 수 있다.

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, 음극 집전판과 음극 무지부 사이의 용접을 더욱 견고하게 행할 수 있으므로, 전지를 구조적으로 안정시킬 수 있으며, 음극 집전판과 음극 무지부 사이의 접촉 저항이 줄어 집전 효율이 증대되는 장점이 있다.

Claims (19)

1. 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 포함하는 극판을 권취해서 이루어진 전극군;

   상기 전극군이 수납되는 캔;

   상기 캔에 조립되어 이를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체; 및,

   상기 전극군에 결합되는 음극 집전판;을 포함하고,

   상기 음극 집전판이 부분적으로 코팅된 제1 접착부;를 통해서 상기 전극군에 고정되고, 코팅되지 않으며 상기 캔을 향하여 돌출 형성된 제2 접착부:를 통해서는 상기 캔에 고정되는 이차 전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 캔이 니켈로 코팅되는 이차 전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 음극 집전판이 부분적으로 니켈 코팅되어 상기 제1 접착부를 이루는 이차 전지.
4. 삭제
5. 제4항에 있어서,

   상기 제2 접착부가 상기 음극 집전판의 중심에서 원 모양으로 형성되는 이차 전지.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2 접착부와 상기 캔의 접합면에 대해서 저항 용접이 이루어지는 이차 전지.
7. 제1항에 있어서,

   상기 극판에는 활물질을 도포하지 않고 형성한 무지부;가 구비되며, 상기 음극 집전판의 제1 접착부가 상기 무지부에 고정되는 이차 전지.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제1 접착부가 상기 무지부를 향해 그 접합면이 평탄하게 돌출 형성되는 이차 전지.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1 접착부가 슬릿(slit) 모양으로 형성되는 이차 전지.
10. 제9항에 있어서,

    상기 제1 접착부는 상기 제2 접착부를 중심에 두고 방사상으로 적어도 2개 이상이 배치되는 구조로 이루어지는 이차 전지.
11. 제9항에 있어서,

    상기 슬릿을 따라 레이저 용접하는 것으로 음극 집전판이 상기 무지부에 고정되는 이차 전지.
12. 제1항에 있어서,

    상기 전극군이 원통형 또는 각형으로 이루어지는 이차 전지.
13. 제1항에 있어서,

    상기 이차 전지가 HEV(Hybrid Electric Vehicle)용인 이차 전지.
14. 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군;

    선택적으로 상기 음극판에 길이 방향의 단부를 따라 활물질을 도포하지 않고 형성한 무지부; 및,

    부분적으로 니켈 코팅되며 상기 전극군을 향해 돌출된 제1 접착부;와, 코팅되지 않으며 상기 제1 접착부와 반대 방향으로 돌출된 제2 접착부;가 형성되고, 상기 무지부에 제1 접착부를 통해서 고정되는 음극 집전판;을 포함해서 이루어지는 이차 전지용 전극 조립체.
15. 제14항에 있어서,

    상기 제1 접착부가 상기 무지부를 향해 그 접합면이 평탄하게 돌출 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
16. 제15항에 있어서,

    상기 제1 접착부가 슬릿(slit) 모양으로 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
17. 제16항에 있어서,

    상기 제1 접착부가 상기 제2 접착부를 중심에 두고 방사상으로 적어도 2개 이상이 배치되는 구조로 이루어지는 이차 전지용 전극 조립체.
18. 제14항에 있어서,

    상기 제2 접착부가 상기 음극 집전판의 중심에서 원 모양으로 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
19. 제14항에 있어서,

    상기 전극군이 원통형 젤리롤 형태로 이루어지는 이차 전지용 전극 조립체.

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