KR100612390B1 - 캡 조립체 및 이차 전지와 이로써 구성되는 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서 제공하는 안전성을 개선한 이차 전지는 세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군; 상기 횡권축이 평행한 상태로 상기 전극군을 수납하는 케이스; 및, 상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되고, 일정한 압력에서 파단되는 노치의 형상이 부분적으로 'V'자 모양으로 형성되는 벤트부를 갖는 캡 조립체;를 포함해서 형성된다.
이차 전지, 홈, 안전변, 벤트, V자

Description

캡 조립체 및 이차 전지와 이로써 구성되는 전지 모듈{CAP ASSEMBLY, SECONDARY BATTERY AND MODULE THEREOF}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극군의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 전극군의 모습을 보여주는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체의 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6은 노치의 단면 형상을 보여주는 도면이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세히는 이차 전지의 안전성을 개선한 발명에 관한 것이다.
이차 전지는 그 용도나 전지 용량을 감안하면, 하나 또는 수 개의 전지 셀을 사용하는 저용량 이차 전지(이하, '소형 전지)와, 전지 셀을 수십 개 모아 사용하는 팩(pack) 단위로 팩키징(packaging)해서 사용하는 모터 구동용 대용량 이차 전지(이하, '대형 전지')로 구분할 수 있다.
이중, 소형 전지는 주로 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원으로 사용되며, 대형 전지는 HEV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터와 같은 곳에서 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 전극군을 형성하고, 이를 원통형의 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성하게 된다.
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 제안되었으며, 나아가서는 판 상의 플레이트를 탭으로 사용하는 이차 전지가 제안되었다.
한편, 대형 전지는 전기 화학적 반응에 의해서 생성되는 전지 내부의 압력으로 인해서 폭발할 위험을 내재하고 있다. 때문에, 대형 전지는 전지의 폭발 방지를 위한 벤트(또는, '안전변')를 더 포함해서 구성되는 것이 일반적이다. 이때, 벤트는 노치(notch) 모양으로 이루어지는데, 소정의 압력 하에서 벤트가 파단되어 전지 가 폭발하는 것을 방지한다.
그런데, 각형 이차 전지에 사용되는 벤트의 경우에는 그 단면적이 상대적으로 원통형보다 작아서 벤트가 터지는 파단압이 높다는 단점이 있다.
더욱이, 벤트가 얇은 박판 형태로 제작이 되는데, 이처럼 벤트를 제작하면 기 설정된 압력하에 제대로 파손되지 않고, 또한 전지마다 벤트의 파단압이 서로 다르다는 문제가 있다.
한편, 벤트는 가늘고 미세한 크랙(crack) 형태로 만들어질수록 낮은 압력에서 파단이 잘 일어난다. 그런데, 종래의 벤트는 금형으로 프레싱(pressing)해서 형성하였기 때문에 그 단면이 반달 모양으로 형성되는 한계가 있었으며, 이에 따라 파단 압력이 일정하지 않으면서도 상대적으로 높다는 문제가 있다.
따라서, 벤트가 기 설정된 압력 하에서 제대로 파손이 되지 않아 이차 전지가 폭발하는 등의 위험한 문제를 나타내고 있다.
이에, 본 발명에서는 상술한 문제점을 개선해서 낮은 압력에서도 일정하게 동작하는 벤트를 구비한 이차 전지를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 원통형 전지에 비해서 상대적으로 적은 면적을 갖는 각형 전지의 벤트에 있어서도 낮은 압력에서 일정하게 동작하는 벤트를 구비한 이차 전지를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서 제공하는 이차 전지는,
세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군;
상기 횡권축이 평행한 상태로 상기 전극군을 수납하는 케이스; 및,
상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되고, 일정한 압력에서 파단되는 노치의 형상이 부분적으로 'V'자 모양으로 형성되는 벤트부를 갖는 캡 조립체;를 포함해서 형성된다.
본 발명에서, 상기 노치는 제1 홈과, 상기 제1 홈에 형성된 제2의 'V'자 홈으로 형성되는 것이 바람직하며,
이때, 상기 제1 홈이 상기 제2 홈보다 크게 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
그리고, 상기 제1 홈은 프레싱 성형으로 형성되며, 상기 제2 홈이 절삭 성형으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 제공하는 이차 전지용 캡 조립체는,
전극군을 수납하는 캔을 밀폐하면서 전극 단자가 구비되는 캡 조립체에 있어서,
벤트 홀;과,
상기 벤트 홀을 막으면서, 일정한 압력에서 파단되는 노치의 형상이 부분적으로 'V'자 모양으로 형성되는 벤트부;를 포함해서 형성된다.
또한, 본 발명에서 제공하는 전지 모듈은,
복수의 이차 전지들을 서로 연결해서 팩(pack) 단위로 구성되는 전지 모듈에 있어서,
전지 모듈을 구성하는 각 이차 전지가 벤트 홀;과, 상기 벤트 홀을 막으면서, 일정한 압력에서 파단되는 노치의 형상이 부분적으로 'V'자 모양으로 형성되는 벤트부;를 구비한다.
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
이하, 첨부한 도면을 참조로 판 상의 플레이트로 리드 탭을 구성한 원통형 이차 전지를 본 발명의 일 실시예로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기에서 설명되는 실시예 외에도 다양한 형태로 구현될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 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 캡 조립체(30)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 개구부가 형성된 육면체 형상으로 이루어짐이 바람직하나, 이에 한정될 필요는 없다.
다음으로, 전극 조립체(20)는 양극판(23)과 음극판(22) 사이에 세퍼레이터(21)를 개재하고, 횡권축(O)을 중심으로 말아서 형성한 전극군(25)을 프레싱해서 각형으로 형성한 후에 이를 리드 단자(50, 70)를 통해서 전극 단자(301a, 301b)에 각각 연결되는 구조로 이루어진다.
이때, 상기 전극 조립체(20)는 횡권축이 수평한 상태로 상기 케이스(11)에 수납된다. 즉, 본 실시예의 전극 조립체(20)는 도면을 기준으로 X축 방향으로 케이스(11)에 수납되는 구조로 이루어진다.
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(30)는 케이스(11)의 개구부에 고정되어서 케이스(11)를 밀봉하는 베이스(301)와, 상기 베이스(301)를 관통해서 캔 내부와 외부에 걸쳐 각각 위치하는 양, 음극용 전극 단자(301a, 301b)가 홈(h)을 통해서 상기 케이스(11)의 외부로 돌출되게 각각 고정되어 있다. 이때, 케이스(11)의 외부로 돌출된 전극 단자(301a, 301b)에는 나사산(S)이 형성되어 있으며, 베이스(301)와의 사이에 가스켓(303)을 개재한 상태에서 상기 나사산(S)을 볼트(305) 체결하는 것으로 전극 단 자(301a, 301b)는 상기 케이스(11)에 고정된다.
이에 추가해서, 상기 캡 조립체(30)는 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출하는 것으로 전지의 폭발을 방지하는 벤트부(40)를 더 포함하고 있다.
본 실시예의 이차 전지는 이처럼 케이스(11) 밖으로 돌출된 전극 단자(301a, 301b)들을 사용해서 하이브리드 전기 자동차용 전지 모듈을 쉽게 구성할 수 있도록 하는데, 즉 수십 개의 전지들을 극성이 서로 반대되게 서로 엇갈려 일렬로 배열하고, 인접한 전지에 대해서 연결 부재를 통해 직렬 연결하는 것으로 전지 팩을 구성하고, 여기에 열 발생에 따른 냉각을 위한 장치들과, 제어 장치들을 연결해서 전지 모듈을 구성하게 된다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조해서 각형 이차 전지에 사용되는 전극군에 대해서 설명한다. 도 2는 전극군의 분해 사시도이고, 도 3은 각형으로 형성한 전극군의 모습을 도시한 사시도이다.
그리고, 본 실시예를 통해서 설명되는 전극군은 횡권축(O)과 교차하는 극판의 양 단부로 활물질이 도포되지 않은 무지부를 통해서 전극 단자와 각각 연결되는 구조로 설명하나, 본 발명이 이에 한정되고자 함은 아니다.
본 실시예에서, 전극군(25)은 양극판(23)과 음극판(22) 사이에 세퍼레이터(21)를 개재하고, 이들을 횡권축(O)을 중심으로 말아서 이루어진다. 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)에 따라 감은 상태에서, 이를 프레스와 같은 장치로 가압해서 각형으로 형성한다(도 3참조). 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 가압하는 것으로 각형의 전극군(25)을 형성한다.
이때, 무지부(23b, 22b)는 양극판(23)과, 음극판(22) 각각의 길이 방향 단부, 즉 집전체(231, 221) 가장 자리(도면의 위, 아래)에 위치하고, 상기 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극과 음극 무지부(23b, 22b)가 서로 엇갈리게 배치된다.
이 상태에서, 무지부(23b, 22b)를 각각 형성하고 있는 극판들을 서로 밀착시키고, 이 곳에 양, 음극용 리드 단자(50, 70)를 결합하는 것으로 전극 조립체(20)를 완성한다.
한편, 전극 단자(301a, 302b)가 설치되고, 전극 조립체(20)를 수납하고 있는 캔을 밀봉하는 캡 조립체(30)는 도 4를 통해서 설명되는 벤트부(40)를 형성하고 있다.
본 실시예에 따른 벤트부(40)는 베이스(301)에 형성되어 있는데, 벤트 홀(41); 및, 상기 벤트 홀(41)을 막으면서 상기 벤트 홀(41)로 노출되는 노치(43a)가 형성되는 박판의 벤트 부재(43);를 포함해서 형성된다.
보다 상세히, 캡 조립체(30)로 사용되는 베이스(301)의 양 단으로는 전극 단자(301a, 301b)가 각각 체결되는 홀(h1, h2)이 형성되어 있고, 그 중심으로는 벤트 홀(41)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 벤트 홀(41)은 이후에 벤트부가 동작해서 가스가 배출되는 통로를 제공하게 된다.
그리고, 벤트 홀(41)에 덧붙여 고정되는 벤트 부재(43)가 위치하게 된다. 여기서 상기 벤트 부재(43)는 얇은 박판으로써 약 3 미리미터(mm) 내외의 두께를 갖는 금속 박판이다.
이 벤트 부재(43)에는 후술하는 방법에 의해서 형성되는 노치(43a)가 형성되어 있다. 이때, 상기 노치(43a)는 폐루프로 형성되는 것이 바람직하다.
이처럼 노치(43a)를 폐루프 모양으로 형성하게 되면, 실질적으로 벤트부가 내압에 노출되는 단위 면적을 넓힐 수가 있기 때문에 벤트부(40)가 이전보다 상대적으로 낮은 압력하에서도 동작할 수 있도록 한다.
이같은 노치를 형성하고 있는 벤트 부재(43)는 상기 노치가 캔 내부를 향하는 방향으로 벤트 홀(41)을 가리도록 고정이 되는데, 레이저 용접을 통해서 베이스(301)에 고정된다. 이때, 노치(43a)가 실질적으로 벤트 홀(41) 내부에 위치하도록 한다.
한편, 도 5 및 도 6은 노치의 단면 형상을 보여주는 도면인데, 본 실시예의 벤트부(40)는 이 노치(43a)를 따라 벤트 부재(43)가 파단되면서 전지 내부에 차있던 압력을 밖으로 배출하도록 동작한다.
본 실시예에서, 상기 노치(43a)의 단면 형상은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 'V'자 모양의 홈으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 노치(43a)의 벽면은 테이퍼(taper)진 상태로 역삼각형의 모양을 이루고 있다. 이렇게 노치(43a)를 형성하 게 되면, 이 노치(43a)로 가해지는 압력이 일정해지면서 기 설정된 조건의 압력, 즉 노치의 깊이 및 형상에 의해서 정확하게 파단이 일어나는 장점이 있다.
일 예로써, 이 같은 단면 형상을 갖는 노치(43a)는 홈파기용 밀링 커터를 이용해서 형성할 수 있는데, 선반에 벤트 부재(43)를 올려놓고 고정한 상태에서, 끝이 뾰족한 밀링 탭으로 상기 벤트 부재(43)를 일정 깊이로 절삭 가공해서 형성할 수가 있다.
본 발명의 또 다른 실시예로써, 도 6과 같은 단면 형상을 갖는 노치도 바람직하게 사용될 수 있다.
즉, 종전과 같이 프레싱 가공해서 제1 홈(431)으로 노치를 형성한 상태에서, 'V'자 형상으로 제2 홈(433)을 제1 홈(431)에 부가해 형성할 수도 있다. 이때, 제1 홈(431)이 제2 홈(433)보다는 크게 형성되는 것이 바람직하다.
이처럼 노치(43a)를 형성하게 되면, 제1 홈(431)이 노치의 파단 압력을 제2 홈(433)으로 가이드하게 되므로, 종전과 비교해서 보다 낮은 압력에서도 정확하게 노치(43a)가 파단되므로, 전지의 안정성을 바람직하게 확보할 수 있는 장점이 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, 상술한 문제점을 해결해서 가장 이상적인 형상으로 벤트를 형성할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라서, 낮은 압력 하에서도 일정하게 작동하는 벤트를 형성할 수 있으므로 이차 전지의 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (17)

  1. 세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군;
    상기 횡권축에 평행한 방향으로 상기 전극군을 수납하는 케이스; 및
    상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되고, 일정한 압력에서 파단되며 폐루프(closed loop)를 이루는 노치(notch)가 형성되는 벤트부를 갖는 캡 조립체;
    를 포함하며,
    상기 노치가 폐루프를 이루는 채널 형태의 제1 홈과, 상기 제1 홈에 형성된 제2의 'V'자 홈으로 형성되는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홈이 상기 제2 홈보다 크게 형성되는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홈이 프레싱 성형으로 형성되는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 홈이 절삭 성형으로 형성되는 이차 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이스가 각형으로 형성되는 이차 전지.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차 전지가 모터 구동용인 이차 전지.
  8. 전극군을 수납하는 캔을 밀폐하면서 전극 단자가 구비되는 캡 조립체에 있어서,
    벤트 홀;과,
    상기 벤트 홀을 막으면서, 일정한 압력에서 파단되며 폐루프(closed loop)를 이루는 노치(notch)가 형성되는 벤트부;
    를 포함하며
    상기 노치가 폐루프를 이루는 채널 형태의 제1 홈과, 상기 제1 홈에 형성된 제2의 'V'자 홈으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 홈이 상기 'V'자 홈보다 크게 형성되는 캡 조립체.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 홈이 프레싱 성형으로 형성되는 캡 조립체.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 홈이 절삭 성형으로 형성되는 캡 조립체.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 노치가 상기 벤트 홀 내부에 실질적으로 위치하는 캡 조립체.
  14. 복수의 이차 전지들을 서로 연결해서 팩(pack) 단위로 구성되는 전지 모듈에 있어서,
    전지 모듈을 구성하는 각 이차 전지가 벤트 홀;과, 상기 벤트 홀을 막으면서, 일정한 압력에서 파단되며 폐루프를 이루는 노치(notch)가 형성되는 벤트부;를 구비하며
    상기 노치가 폐루프를 이루는 채널 형태의 제1 홈과, 상기 제1 홈에 형성된 제2의 'V'자 홈으로 형성되는 전지 모듈.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 홈이 프레싱 성형으로 형성되는 전지 모듈.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제2 홈이 절삭 성형으로 형성되는 전지 모듈.
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