KR100599714B1 - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군; 상기 횡권축이 수평한 상태로 상기 전극군이 수납되고, 마주하는 면이 연통된 케이스; 및, 상기 케이스에 각각 밀폐되면서, 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 각각 설치되는 제1 및 제2 캡 조립체;를 포함하고, 상기 횡권축과 교차하는 방향으로 상기 전극군의 양 단부에 각각 구비되며, 활물질을 도포하지 않고 이루어진 무지부;를 통해서 상기 전극군과 상기 캡 조립체가 각각 연결되는 구조로 이루어진다.
이차 전지, 집전판, 무지부, 용접, 전극 조립체, 절개

Description

이차 전지{SECONDARY BATTERY}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 캡 조립체의 단면을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극군의 모습을 도시한 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따라 각형으로 형성한 전극 조립체의 모습을 도시한 사시도이다.
도 5는 집전판 구조에 따른 전극 조립체의 모습을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전극 조립체의 분해 사시도이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세히는 전지의 구조를 간단하게 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 전기 자동차에서처럼 모터 구동용 전원으로 사용된다.
소형 전지가 하나의 셀로써 구성될 때에는 주로 원통형이나 육면체의 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 케이스내부에 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, 다양한 형태로 전지의 구조를 개선해서 대형 전지에 적용하고 있다.
그런데, 대형 전지에서 요구하는 동작 특성에 맞게 설계를 하다 보니 전지 내부가 다소 복잡해지게 되었는데, 이로 인해서 작업 공수가 많이 들게 되어 전지의 제조 원가를 상승시키는 문제를 야기하게 되었다. 이러한 문제의 한 예로써, 전극 조립체를 담고 있는 케이스의 경우에 금형을 통해서 제작함이 일반적인데, 금형은 그 제작비가 고가이므로 전지의 생산 원가를 높이는 중요한 요소 중의 하나이다.
또한, 대형 전지는 셀 단위로 구성되는 이차 전지를 수십개 모아 사용함으로서 전지끼리 체결이 용이한 구조로 이루어져야 하고, 나아가서는 고출력의 동작 특성을 만족시키기 위해서는 집전 효율이 좋아야 한다. 따라서, 대형 전지의 설계에 있어서 중요한 요소 중 하나가 전극 단자와 전극 조립체 간의 체결에 있다.
이에, 본 발명에서는 상술한 점에 주목해서 구조를 간단하게 개선한 본 발명의 이차 전지를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 전극 조립체와 전극 단자 사이의 체결 관계를 개선해서 집전 효율을 좋게 개선한 본 발명을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 순간적인 출력을 좋게 해서 하이브리드 전기 자동차와 같이 대형 전지가 요구되는 산업 분야에 적용 가능한 이차 전지를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 이차 전지는,
세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군;
상기 횡권축이 수평한 상태로 상기 전극군이 수납되고, 마주하는 면이 연통된 케이스; 및,
상기 케이스에 각각 밀폐되면서, 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 양, 음 극용 전극 단자가 각각 설치되는 제1 및 제2 캡 조립체;를 포함하고,
상기 횡권축과 교차하는 방향으로 상기 전극군의 양 단부에 각각 구비되며, 활물질을 도포하지 않고 이루어진 무지부;를 통해서 상기 전극군과 상기 캡 조립체가 각각 연결되는 구조로 이루어진다.
바람직하게, 본 발명에 따른 이차 전지는 상기 무지부와 연결되는 판 모양의 집전판을 더 포함하고, 상기 집전판을 통해서 상기 캡 조립체가 상기 전극군에 각각 연결되는 구조로 이루어진다.
이때, 상기 집전판의 형상은 상기 전극군의 단면과 동일 형상으로 이루어짐이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 이차 전지는 상기 무지부 사이에 삽입된 상태로 고정되는 리드 단자;를 통해서 상기 캡 조립체와 상기 전극군이 각각 연결되는 구조로 이루어질 수도 있다.
이때, 상기 무지부를 이루는 극판들이 서로 포개어져 밀착된 상태로 전체가 접합되는 구조로 무지부가 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 캡 조립체는,
홀을 구비하는 판 모양의 베이스;와,
가스켓을 매개로 상기 베이스와 절연된 상태로 상기 홀에 고정되는 전극 단자;를 포함해서 이루어진다.
이러한 본 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 상기 전극군이 원통형 젤리롤 형태로 형성해서 이차 전지의 형상이 원통형으로 형성됨이 바람직하며, 특히 모터 구동용으로 사용됨이 더욱 바람직하다.
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 사시도이다. 이를 참조해서 본 발명의 이차 전지를 설명하면 다음과 같다.
본 실시예의 이차전지는 원통형 또는 육면체 형상을 가지며 일부가 개방된 케이스(11)에, 절연 물질인 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극판(23) 및 음극판(22)을 권취해서 형성한 전극 조립체(20)를 삽입하고, 케이스(11)의 개방된 부분을 양편에서 각각의 캡 조립체(30a, 30b)로 밀봉한 형태로 이루어진다.
먼저, 케이스(11)는 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸 등과 같은 도전성 금속재로 이루어지는데, 그 형상은 상기 전극 조립체(20)가 삽입 안착될 수 있는 개구부(11a, 11b)가 형성된 육면체 형상으로 이루어짐이 바람직하나, 이에 한정될 필요는 없다. 도면에서는 육면체 형상을 갖는 각형 케이스에 대해서 예를 들어 도시하였다. 그리고, 상기 개구부(11a, 11b)는 서로 대향하게 케이스(11)의 양편(도면의 X축 방향)으로 각각 구비되어 있으며, 이에 따라서 케이스(11)는 좌, 우가 연통된 구조의 육면체 모양을 갖게 된다. 즉 가로(도면의 X축 방향)가 세로(도면의 Y축 방향)보다 큰 육각 기둥으로 이루어진다. 이같은 모양으로 케이스(11)를 구성하게 되면, 케이스를 성형하는 과정에서 금형을 사용할 필요없이 사출 성형을 가능하게 하므로, 전지의 제조 단가를 낮출 수가 있어 바람직하 다.
다음으로, 전극 조립체(20)는 양극판(23)과 음극판(22) 사이에 세퍼레이터(21)를 개재하고, 횡권축(O)을 중심으로 말아서 형성한 전극군(25)과, 상기 횡권축(O)과 교차하는 방향으로 상기 전극군(25)의 양 단부에 형성되는 무지부(22b, 23b)와 선택적으로 연결된 양, 음극용 리드 단자(70, 50)를 포함해서 이루어진다. 이때, 상기 전극 조립체(20)는 횡권축(O)이 수평한 상태로 상기 케이스(11)에 수납된다. 이에 따라, 전극군(25)의 양 단부에 형성된 무지부(23b, 22b)가 각각의 개구부(11a, 11b)를 향해서 위치하게 된다. 이 전극 조립체(20)에 대해서는 도면을 달리해서 아래에서 자세히 설명한다.
한편, 도 1에서는 케이스(11)에 각형의 전극 조립체(20)가 위치하는 경우를 예를 들어 도시하였으며, 이하에서도 이를 기준으로 설명하나 본 발명이 이에 한정되고자 함은 아니다.
그리고, 캡 조립체(30a, 30b)는 도 2에서 예시하고 있는 바와 같이 케이스(11)의 개구부(11a, 11b)에 각각 고정되어서 케이스(11)를 밀봉하는 판 모양의 베이스(301, 301')와, 상기 베이스(301. 301')를 관통해서 캔 내부와 외부에 걸쳐 각각 위치하는 양, 음극용 전극 단자(305, 305')가 홈(h)을 통해서 상기 케이스(11)의 외부로 돌출되게 각각 고정되어 있다. 이때, 케이스(11)와 전극 단자(305, 305') 사이에는 가스켓(303, 303')이 개재되어 있어서 전극 단자(305, 305')와 케이스(11)를 절연시키면서 홈(h)을 밀봉하고 있다. 이에 추가해서, 상기 캡 조립체(30a, 30b)는 선택적으로 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출하는 것 으로 전지의 폭발을 방지하는 벤트 부재(미도시)를 더욱 포함해서 구성될 수 있다.
이에 따라서, 본 발명의 이차 전지는 좌, 우 양측으로 각각 양, 음극용 전극 단자(305, 305')가 형성된 모습을 갖게 됨으로 전지 모듈을 쉽게 구성할 수가 있다. 즉, 즉 수십 개의 전지들을 극성이 서로 반대되게 서로 엇갈려 일렬로 배열하게 되면, 양 측면으로 서로 다른 극성의 전극 단자들이 상호 교번된 상태로 위치하게 된다. 이 상태에서 연결부재를 상기 전극 단자들과 고정시킴으로써 전지 팩을 구성하고, 여기에 열 발생에 따른 냉각을 위한 장치들과, 제어 장치들을 연결해서 전지 모듈로 손쉽게 구성할 수 있다.
이하, 상술한 바처럼 구성되는 캡 조립체(30a, 30b)와 연결되는 전극 조립체에 대해서 설명한다.
먼저, 도 3을 가지고 전극 조립체의 일부를 구성하는 전극군에 대해서 설명하고, 다음으로 전극군(25)에 양, 음극용 리드 단자를 결합해 이루어진 전극 조립체를 설명한다.
본 실시예에서, 전극군(25)은 양극판(23)과 음극판(22) 사이에 세퍼레이터(21)를 개재하고, 이들을 횡권축(O)을 중심으로 말아서 형성된다. 이때, 전극군(25)의 양 단부로는 활물질이 도포되지 않은 무지부(23b, 22b)가 횡권축(O)에 대해서 교차하는 방향으로 각각 형성된다.
보다 상세히, 양극 및 음극용 활물질(23a, 22a)을 각각의 집전체(231, 221)에 코팅해서 양극판(23)과 음극판(22)을 구성하고, 이들을 젤리롤(jelly roll) 타입으로 횡권축(O)을 따라 감은 상태에서, 이를 프레스와 같은 장치로 프레싱해서 각형으로 형성한다(도 4참조). 즉, 양극판(23)과 음극판(22)으로 이루어진 극판 사이에 이들을 절연하는 세퍼레이터(21)가 개재된 상태에서 이들을 감아 원형으로 형성한 전극군(25)을 프레스로 납작하게 프레싱하는 것으로 각형의 전극군(25)을 형성한다.
한편, 도 3과 도 4를 비교해 보았을 때, 횡권축(O)이 변화되어 있음을 알 수 있을 것이다. 즉, 도 3에서는 Z축 상으로 횡권축(O)이 형성되어 있지만, 도 4에서는 X축 방향으로 눕혀져 있음을 볼 수 있다. 이처럼 본 실시예의 전극 조립체(20)는 횡권축(O)이 종래처럼 수직된 방향이 아닌 수평된 방향으로 형성되는 것이다.
이처럼 횡권축(O)이 수평된 방향으로 전극군이 형성되기 때문에, 전극군(25)의 양 단부에 형성되어 있는 무지부(23b, 22b) 역시 수평된 배치 구조를 갖게 된다. 따라서, 상기 무지부(23b, 22b)는 전극군(25)의 한편(도면을 기준으로 왼편)으로 양극용 무지부(23b)가 형성되고, 이에 대응하는 방향(도면을 기준으로 오른편)으로는 음극용 무지부(22b)가 형성된다.
이 상태에서, 양, 음극용 리드 단자들(501. 701)을 무지부(23b, 22b)의 중심에 맞추어 무지부(23b, 22b) 안쪽으로 삽입시킨 상태에서 용접 포인트(P)를 따라 저항 용접 또는 초음파 용접을 실시해서 고정시킨다.
한편, 도 4에서는 무지부(23b, 22b)와 리드 단자들(501, 701)이 만나는 부분에 대해서만 무지부(23b, 22b)가 선택적으로 밀착된 모습을 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 실시예에서는 무지부(23b, 22b)를 구성하는 극판 전체를 서로 밀착시켜 판 상으로 무지부(23b, 22b)를 형성할 수도 있다. 이에 따르면, 무지부(23b, 22b)는 전극군(25)의 폭 방향(도면의 X축 방향)보다 극판들이 횡권된 방향(도면의 Z축 방향)으로 더 긴 사각형의 판 모양으로 이루어지게 된다.
이처럼 전극군(25)의 무지부(23b, 22b)에 리드 단자들(501, 701)을 연결하는 것으로 본 실시예에 따른 전극 조립체(20)가 완성된다.
한편, 도 5는 판 모양의 집전판(50, 70)을 구비하는 전극 조립체의 모습을 도시한 것이다.
이 실시예의 전극 조립체(20)는 도 4와 비교해서 전극군(25)의 형상은 동일하나, 전류의 집전 효율을 좋게 하는 판 상의 집전판(50, 70)이 추가된 구조로 이루어진다. 이 실시예의 전극 조립체에 의하면, 무지부(23B, 22B)의 폭을 도 4의 실시예에 비해서 상대적으로 작게 구성할 수 있으므로, 동일한 케이스(11)의 크기에서 상대적으로 전극 조립체(20)의 크기를 크게 키울 수 있는 이점이 있다. 이에 따라서, 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있는 이점이 있다.
이 실시예의 전극 조립체에서, 전극 조립체(25)의 단면과 동일한 형상을 갖는 판 모양의 집전판(50)이 각각의 무지부(23b, 22b)와 마주한 상태로 위치하고, 이 상태에서 집전판(50, 70)과 무지부(23b, 22b)를 직접 레이저 용접하는 것으로 집전판(50, 70)을 무지부(23b, 22b)에 고정시킨다. 그리고, 상기 집전판(50, 70)의 외측면으로는 동일 극성의 전극 단자(305, 305')와 각각 연결되는 리드 단자들(501, 701)이 각각 구비된다. 또한, 상기 집전판(50, 70)에는 전해액 주입용 홀(h)이 추가로 더 형성될 수도 있다.
한편, 이 실시예의 변형예로서 가지 형태로 뻗어 있는 다수의 살들로 구성되 는 집전판 구조도 가능함은 물론이다.
이처럼 구성된 본 실시예의 전극 조립체(20)는 케이스(11)에 횡권축(O)이 수평한 상태로 수납된다. 이에 대해서 도 6을 참조해서 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 4와 같이 형성된 전극 조립체(20)의 횡권축(O)이 케이스(11)의 연통된 개구부(11a, 11b)를 가로지르도록 위치한 상태에서 케이스(11) 내부의 빈공간으로 삽입 안착된다. 이에 따라서, 각각의 개구부(11a, 11b) 편으로는 각각의 양, 음극용 리드 단자들(501, 701)이 돌출된 형태로 전극 조립체(20)가 위치하게 된다.
이 상태에서, 어느 하나의 캡 조립체(30a)에 구비된 전극 단자(305)를 동일 극성의 리드 단자(501)와 전기적으로 연결한다. 즉, 양극 리드 단자(501)와, 양극 전극 단자(305)를 각각 연결시킨다. 그리고, 캡 조립체(30a)의 베이스(301)와 케이스(11)가 만나는 접합면을 따라서 레이저 용접하는 것으로 양극용 캡 조립체(30a)를 케이스(11)에 고정시킨다.
이 상태에서, 케이스(11)를 세워 개구부(11b)가 위를 향하도록 위치시키고, 상기 개구부(11b)를 통해 케이스(11) 내부로 전해액을 주입해서 극판들을 함침시킨다. 그리고, 양극 캡 조립체(30a)를 케이스(11)에 고정시킨 방식과 동일하게, 전극 단자(501')를 음극용 리드 단자(701)에 연결시킨 상태에서 캡 조립체(30b)를 케이스(11)에 용접해서 고정시키는 것으로 본 실시예에 따른 이차 전지가 구성된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지 식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면, 이차 전지의 구성을 간단히 함으로써 부품수를 적게 하면서도 작업 공수를 줄여 제조 원가를 낮추는 효과가 있다. 더욱이, 본 발명에서 개시하는 케이스의 모양에 의하면, 트랜스퍼(transfer) 금형을 이용해서 제작할 필요없이 사출 성형을 할 수가 있어 제조 원가를 추가로 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 전극 단자들을 서로 대향하는 구조로 배치함으로써 전지간 연결을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군;
    상기 횡권축이 수평한 상태로 상기 전극군이 수납되고, 마주하는 면이 연통된 케이스; 및,
    상기 케이스에 각각 밀폐되면서, 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 각각 설치되는 제1 및 제2 캡 조립체;를 포함하고,
    상기 횡권축과 교차하는 방향으로 상기 전극군의 양 단부에 활물질을 도포하지 않고 이루어진 무지부가 형성되고, 상기 무지부 사이에 삽입된 상태로 고정되는 리드 단자;를 통해서 상기 캡 조립체와 상기 전극군이 각각 연결되는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무지부와 연결되는 판 모양의 집전판을 더 포함하고, 상기 집전판과 상기 리드 단자를 통해서 캡 조립체가 상기 전극군에 각각 연결되는 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 집전판의 형상이 상기 전극군의 단면과 동일 형상으로 이루어지는 이차 전지.
  4. 삭제
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무지부를 이루는 극판들이 서로 포개어져 밀착된 상태로 전체가 접합되는 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캡 조립체가,
    홀을 구비하는 판 모양의 베이스;와,
    가스켓을 매개로 상기 베이스와 절연된 상태로 상기 홀에 고정되는 전극 단자;를 포함해서 이루어지는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극군이 각형으로 이루어지는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지가 모터 구동용인 이차 전지.
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