KR100599734B1 - 전극 단자와 이를 이용한 이차 전지 및 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극 단자를 개선한 이차 전지에 관한 것으로, 격리판을 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성하는 전극 조립체; 상기 횡권축이 평행한 상태로 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 및, 상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되어 있는 캡 플레이트;를 포함하고, 상기 전극 단자의 단면 형상이 각진 모습으로 이루어진다.

이차 전지, 전극 단자, 각형, 사각형, 대용량, 고출력

Description

전극 단자와 이를 이용한 이차 전지 및 전지 모듈{ELECTRODE ,SECONDARY BATTERY AND BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 각형 이차 전지의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 단자의 모습을 도시한 사시도이다.

도 3은 전극 단자가 캡 플레이트에 조립되는 관계를 설명하는 단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세히는 전극 구조를 개선해서 단위 체적을 증가시킨 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, '전지 모듈')로 구분할 수 있다.

이중, 소형 전지는 주로 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자장치의 전원으로 사용되며, 전지 모듈은 하이브리드 자동차에서처럼 모터 구동용 전원으로 사용된다.

그리고, 소형 전지는 주로 원통형이나 육면체의 외형을 가지고 형성되는 바, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 격리판(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극 조립체(또는, 젤리롤)를 형성하고, 이를 원통형의 케이스 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 전지 모듈에 적용하는 경우에는 용량이나 출력면에서 전지 모듈의 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.

또 다른 형태로는 탭 구조를 대신하는 집전판 구조가 있다. 이 집전판 구조의 이차 전지는 전극 조립체와 집전판 사이의 접촉 면적이 이전보다 증대되어 접촉 저항을 줄일 수 있는 장점이 있다. 이로 인해서 전류의 집전 성능 역시 향상되는 효과가 있어서, 주로 전지 모듈로 구성되는 이차 전지에 많이 이용되고 있다.

한편, 육면체 형상을 갖는 이차 전지에서는 원통형과 달리 전극 단자를 구비하게 된다. 이 전극 단자들은 케이스에 수납되는 전극 조립체에 각각 연결되어 있다. 따라서, 이 전극 단자가 이차 전지의 집전 효율에 직접적인 영향을 주므로, 각 형 이차 전지에 있어서는 상술한 멀티 탭과 아울러 이 전극 단자가 전지의 동작 특성에 중요한 역할을 한다.

이에, 본 발명에서는 상술한 점에 주목해서 전극 조립체와 이들을 전기적으로 연결하는 전극 단자를 개선하는 것으로, 내부 저항을 줄여 이차 전지의 동작 특성을 향상시킨 본 발명을 제공하는데 있다.

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

격리판을 사이에 두고 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성하는 전극 조립체;

상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 및,

상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되어 있는 캡 플레이트;를 포함하고,

상기 전극 단자의 단면 형상이 각진 모습으로 이루어진다.

본 발명에서 상기 전극 단자는, 양, 음극 단자를 형성하는 체결부;와, 상기 전극 조립체에 연결되는 접촉부와, 상기 체결부 및 접촉부를 연결하면서 걸림턱을 제공하는 연결부;를 형성하고 있다.

이때, 상기 체결부와 상기 접촉부의 단면 형상이 서로 동일한 크기의 각형으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 캡플레이트에는 체결공이 형성되어 있고, 상기 전극 단자의 체결부가 케이스 밖으로 나오게 상기 체결공을 관통한 상태에서 상기 체결부에 나사 결합하는 것으로 상기 전극 단자가 캡 플레이트에 고정된다.

이러한 본 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 복수의 이차 전지들을 서로 연결해서 팩(pack) 단위로 구성되는 전지 모듈로 구성됨이 바람직하다. 이때, 서로 연결된 복수의 이차 전지는 동작 및 온도를 제어 관리하는 BMS(battery management system)에 연결된 상태에서 하우징에 담겨 포장된다.

그리고, 본 발명의 이차 전지(또는, 전지 모듈)는 HEV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다

이때의 모터 구동용 전지 모듈은,

복수의 이차 전지들을 서로 연결해서 팩(pack) 단위로 구성되는 전지 모듈에 있어서,

전지 모듈을 구성하는 각 이차 전지가 양, 음극 단자를 형성하는 체결부;와, 전기 화학 반응에 의해서 전기 에너지를 생산하는 전극 조립체에 연결되는 접촉부; 상기 체결부 및 접촉부를 연결하면서 걸림턱을 제공하는 연결부;를 포함하는 각진 형상의 전극 단자를 구비하고, 이 전극 단자를 사용해서 이웃한 이차 전지끼리 연결되는 구조로 이루어진다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 전극 단자는,

양, 음극 단자를 형성하는 체결부;

전기 화학 반응에 의해서 전기 에너지를 생산하는 전극 조립체에 연결되는 접촉부; 및,

상기 체결부 및 접촉부를 연결하면서 걸림턱을 제공하는 연결부;를 구비하며, 그 단면 형상이 각진 모습으로 이루어진다.

이때, 상기 체결부와 상기 접촉부의 단면 형상이 동일한 크기의 각형으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 전극 단자의 단면 형상은 사각형인 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 그 형상을 각형으로 해서 구성된 이차 전지를 도시한 사시도이다. 이를 참조해서 본 실시예의 이차 전지를 설명하면 다음과 같다.

본 실시예의 이차전지는 세로(도면의 X 축 방향)로 긴 육면체 형상을 가지며 일부가 개방된 케이스(11)에, 절연 물질인 격리판을 사이에 두고 양극판 및 음극판을 권취해서 형성한 각형의 전극 조립체를 삽입하고, 케이스(11)의 개방된 부분을 캡 플레이트(30)로 밀봉한 형태로 이루어진다.

먼저, 케이스(11)는 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸 등과 같은 도전성 금속재로 이루어지는데, 그 형상은 각형의 전극 조립체가 삽입 안착될 수 있는 개구부가 형성된 육면체 형상으로 이루어진다. 도면에서는 케이스(11)에 캡 플레이트(30)가 조립된 예를 도시해서 개구부가 도시되지 않았지만, 캡 플레이트(30)의 둘레(11a) 부분이 실질적으로 개방된 부분이다.

다음으로, 전극 조립체는 양극판과 음극판 사이에 격리판을 개재하고, 횡권축을 중심으로 말아서 젤리롤 형태로 형성한 다음에, 이를 프레스와 같은 가압 수단으로 프레싱해서 각형으로 형성하게 된다.

그리고, 캡 플레이트(30)는 상기 케이스의 개구부에 형합(形合)하는 형상으로 만들어지며, 양, 음극용 전극 단자(60, 70)를 구비한다. 상기 양, 음극용 전극 단자(60, 70)는 전극 조립체의 양극 및 음극에 각각 연결되어 이차 전지의 양극 및 음극 단자를 형성하게 된다.

이 전극 단자(60, 70)는 캡 플레이트(30)에 형성된 체결공을 관통해서 케이스 내부와 외부에 걸쳐 위치한 상태로 고정된다. 이 전극 단자(60, 70) 대해서는 첨부한 도 2 및 도 3을 가지고 아래에서 자세히 설명한다.

이에 추가해서, 상기 캡 플레이트(30)는 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출하는 것으로 전지의 폭발을 방지하는 벤트부(40)를 더 포함할 수도 있다.

본 실시예의 이차 전지는 이처럼 케이스(11) 밖으로 돌출된 전극 단자(60, 70)들을 사용해서 HEV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터와 같은 곳에서 모터 구동용 전원으로 사용되는 전지 모듈을 쉽게 구성할 수 있도록 하는데, 즉 수십 개의 전지들을 극성이 서로 반대되게 서로 엇갈려 차례대로 배열하고, 인접한 전지에 대해서 연결 부재를 통해 직렬(또는, 병렬) 연결하는 것으로 전지 팩을 구성하고, 여기에 열 발생에 따른 냉각을 위한 장치들과, 제어 장치들을 연결해서 하우징에 담아 전지 모듈을 구성하게 된다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조해서 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자에 대해 서 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 단자를 도시한 사시도로, 본 실시예의 전극 단자(60, 70)는 나사산(S)을 구비하고 있으며, 전지의 단자를 이루는 체결부(61)와, 전극 조립체에 연결되는 접촉부(65)와, 상기 체결부(61) 및 접촉부(65)를 연결하면서 걸림턱을 형성하는 연결부(63);를 포함해서 이루어진다.

체결부(61)는 사각형과 같이 각진 형상으로 이루어져 있으며, 그 외주면을 따라서는 나사산(S)이 형성되어 있다. 그리고, 그 길이는 케이스(11) 내부에서 외부로 돌출되고, 여기에 나사 결합을 한 상태에서 단자간 연결 부재를 다시 체결할 수 있을 정도의 충분한 길이를 가져야 한다.

그리고, 상기 체결부(61)에 연장되어서 형성되는 연결부(63)는 상기 체결부(31a) 보다 그 둘레가 크게 형성되어 있어서, 전극 단자(60, 70)가 케이스 내부에서 외부로 돌출될 때 걸림턱과 같은 역할을 제공하게 된다.

다음으로, 상기 체결부(61)에 연장되어서 형성되는 접촉부(65)는 케이스 내부에서 실질적으로 전극 조립체와 접촉되는 부분이다.

이처럼 형성되는 전극 단자(60, 70)는 그 단면 형상이 각형으로 형성되어 있기 때문에, 원형에 비해서 그 단면적을 키울 수 있는 장점이 있다. 이처럼 전극 단자의 단면적이 커지게 되면, 이 전극 단자의 내부 저항을 줄일 수 있는 장점이 있다. 즉, 저항은 단면적에 반비례하는 물리적인 값이기 때문이다.

이처럼, 전극 단자의 내부 저항을 줄임으로써, 이차 전지의 집전 효율을 좋게 하는 장점이 있다.

한편, 이처럼 형성되는 전극 단자 중 체결부(61) 및 접촉부(65)는 그 단면 크기가 동일하게 형성되는 것이 바람직한데, 그 이유는 상술한 바와 동일하다.

이 같은 형상을 갖는 전극 단자(60, 70)는 캡 플레이트(30)에 고정되는데, 이에 대해서 도 3을 가지고 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 도 3은 전극 단자가 캡 플레이트에 조립되는 관계를 설명하는 단면도이다.

이를 참조하면, 본 실시예의 전극 단자(60, 70)는 캡 플레이트(30)에 형성되어 있는 홀(h)을 통해서 캡 프레이트(30)에 고정된다. 이때, 전극 단자(60, 70)와 캡 플레이트(30)가 도전체로 형성되기 때문에, 양, 음극 전극 단자(60, 70)가 그대로 캡 플레이트(30)에 접촉하게 되면 숏트가 발생하므로, 전극 단자(60, 70)와 캡플레이트(30를 절연하면서 홀(h)에 의한 공간을 밀봉하는 가스켓(G)이 둘 사이에 위치한다.

이처럼 가스켓(G)을 매개로 해서 전극 단자(60, 70) 중 체결부(61)가 케이스(11) 밖으로 향하게 홈(h)을 관통하고, 이 상태에서 홈(h) 밖으로 돌출된 체결부(61)에 구비된 나사산(S)에 너트(B)를 결합함으로써 전극 단자(60, 70)가 캡 플레이트(30)에 고정된다.

이처럼 전극 단자(60, 70)를 캡 플레이트(30)에 결합한 후, 또는 이전에 전극 단자와 전극 조립체를 전기적으로 연결한 후에 상기 전극 조립체를 케이스(11)에 수납한다.

그리고, 케이스(11)와 캡 플레이트(30)가 접합하는 부분을 따라서 레이저 용 접해서 케이스(11)를 밀봉하면서 캡 플레이트(30)를 고정시킨다. 이 다음으로, 캡 플레이트(30)에 마련되어 있는 전해액 주입구(미도시)를 통해서 전해액을 케이스(11) 내부에 주입하는 것으로, 본 실시예의 이차 전지가 완성된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

본 발명에 따르면, 전극 단자에 의한 내부 저항을 최소로 줄임으로써 이차 전지의 집전 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 이로 인해서 전지의 에너지 밀도를 높혀 이차 전지의 동작 특성을 개선하는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 격리판을 사이에 두고 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성하는 전극 조립체;

   상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 및,

   상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되며 사각형의 판으로 이루어지는 캡 플레이트;를 포함하고,

   상기 전극 단자는 사각형의 횡단면을 갖는 구조로 이루어지는 이차 전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전극 단자가,

   양, 음극 단자를 형성하는 체결부;와, 상기 전극 조립체에 연결되는 접촉부와, 상기 체결부 및 접촉부를 연결하면서 걸림턱을 제공하는 연결부;를 구비하는 이차 전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 체결부와 상기 접촉부의 단면 형상이 동일한 크기의 사각형으로 형성되는 이차 전지.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 캡플레이트에 체결공이 형성되어 있고, 상기 전극 단자의 체결부가 케이스 밖으로 나오게 상기 체결공을 관통한 상태에서 상기 체결부에 나사 결합하는 것으로 상기 전극 단자가 캡 플레이트에 고정되는 이차 전지.
5. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극 단자는 사각기둥 형상으로 형성되는 이차 전지.
6. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극 단자와 케이스 사이에는 절연성의 가스켓이 개재되는 이차 전지.
7. 제6항에 있어서,

   상기 이차 전지가 모터 구동용인 이차 전지.
8. 제1항에 있어서,

   상기 전극 단자의 횡단면은 직사각형으로 이루어지는 이차 전지.
9. 제1항에 있어서,

   상기 캡 플레이트는 직사각형 판으로 이루어지는 이차 전지.
10. 삭제
11. 복수의 이차 전지들을 서로 연결해서 팩(pack) 단위로 구성되는 전지 모듈에 있어서,

    전지 모듈을 구성하는 각 이차 전지는 양, 음극 단자를 형성하는 체결부;와, 전기 화학 반응에 의해서 전기 에너지를 생산하는 전극 조립체에 연결되는 접촉부; 상기 체결부 및 접촉부를 연결하면서 걸림턱을 제공하는 연결부;를 포함하며 사각형의 횡단면을 갖는 전극 단자, 및

    상기 전극 단자가 끼워지며 사각판 형상으로 이루어지는 캡 플레이트를 구비하고,

    상기 전극 단자를 사용해서 이웃한 이차 전지끼리 연결되는 구조의 전지 모듈.

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