KR100614358B1 - 캔형 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

두 전극과 세퍼레이터를 구비하여 이루어지는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 금속 캔, 전극 조립체의 인입구가 되는 금속 캔의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 구비하여 이루어지며, 금속 캔을 마감하는 캡 어셈블리를 비금속 절연 재질로 함을 특징으로 하는 캔형 이차 전지가 개시된다. 이때, 절연 재질로는 플라스틱이 사용될 수 있고, 캡 플레이트에 전극 탭이 인출될 수 있는 홀을 형성하는 것이 바람직하다.

Description

캔형 이차 전지 {Can type rechargeable battery}
도1은 종래의 캔형 이차 전지의 일 예로써 리튬 이온 각형 이차 전지의 베어 셀 구성을 나타내는 분해 사시도이며,
도2는 종래의 각형 이차 전지 베어 셀의 정면에서 본 상부 단면도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 이차 전지의 베어 셀의 구조를 나타내는 분해 정단면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성될 이차 전지를 이루는 캡 플레이트를 상방에서 본 평면도,
도5는 본 발명에 따라 핫 멜트형 캔형 이차 전지를 형성하기 위해 베어 셀과 보호회로 기판을 결합하는 방법을 나타내는 공정 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11: 캔 22: 전극 조립체
200: 캡 플레이트 210: 홀
220: 마개 230: 전해액 주입구
240,250: 접착제
본 발명은 캔형 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 조립체를 이루는 전극을 외부와 연결하는 전극 탭을 가지는 캔형 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성으로 인하여 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.
이들 이차 전지에서 베어셀(Bare Cell)의 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 통상 알미늄 또는 알미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 형성된다. 캔은 철재로 형성될 수 있으나 알미늄 또는 알미늄 합금으로 형성하게 되면 알미늄의 가벼운 속성으로 전지의 경량화가 이루어질 수 있고, 고전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 유리한 점이 있다.
밀봉된 단위 셀은 PTC 소자(positive temperature coefficient), 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호회로 기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치 및 기타 전지 부속들과 연결된 상태로 별도의 하드 팩에 수납되거나, 핫 멜트 수지를 이용하여 몰드를 통해 완성된 외관을 형성하게 된다.
도1은 종래의 캔형 이차 전지의 일 예로써 리튬 이온 각형 이차 전지의 베어 셀 구성을 나타내는 분해 사시도이며, 도2는 종래의 각형 이차 전지 베어 셀의 정면에서 본 상부 단면도이다.
도 1 및 도2를 참조하여 종래의 베어 셀 전지의 형성 방법을 설명하면, 베어 셀 상태의 각형 리튬 이온 전지는 대략 직육면체로 형성되는 각형 캔(100)과, 이 캔(100)의 내부에 수용되는 전극 조립체(12)와, 캔(100)의 개방된 상단과 결합하여 캔 상단을 밀봉하는 캡 조립체를 구비하여 이루어진다.
전극 조립체(12)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 양극판(13), 세퍼레이터(14), 음극판(15)의 적층체를 권취하거나 겹쳐서 형성한다.
양극판(13)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 탭(16)이 전기적으로 연결되어 있다. 음극판(15)에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 탭(17)이 접속되어 있다.
양극판(13) 및 음극판(15)과, 탭들(16,17)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 탭들(16,17)이 전극 조립체(12)로부터 인출되는 경계부에는 탭과 두 전극판(13,15) 사이의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 각각 감겨질 수 있다.
세퍼레이터(14)는 양극판 및 음극판(13)(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판간의 단락을 방지하는데 유리하다.
캔(100)은 대략 직육면체의 형상을 가진 알미늄 혹은 알미늄 합금으로 형성된다. 캔(100)의 개방된 상단을 통해 전극 조립체(12)가 수용되어 캔(100)은 전극 조립체 및 전해액의 용기 역할을 하게된다. 캔(100)은 그 자체가 단자역할을 수행할 수 있다.
캡 조립체에는 캔(100)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(110)가 마련되어 있다. 캡 플레이트(110)의 중앙부에는 전극 단자(130)가 통과할 수 있도록 단자용 통공(111)이 형성된다. 캡 플레이트(110)의 중앙부를 관통하는 전극 단자(130)와 캡 플레이트(110) 사이에는 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치된다.
캡 플레이트(110) 하면에 절연 플레이트(140)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(140)의 아랫면에는 단자 플레이트(150)가 설치되어 있다. 전극 단자(130)의 저면부는 단자 플레이트(150)와 전기적으로 연결되어 있다.
캡 플레이트(110) 하면에는 양극판(13)으로부터 인출된 양극 탭(16)이 용접되어 있으며, 전극 단자(130)의 하단부에는 음극판(15)으로부터 인출된 음극 탭(17)이 사행으로 접혀진 상태에서 용접된다.
한편, 전극 조립체(12)의 상면에는 전극 조립체(12)와 캡 조립체와의 전기적 절연을 위하고, 이와 동시에 상기 전극 조립체(12)의 상단부를 커버할 수 있도록 절연 케이스(190)가 설치된다. 절연 케이스(190)는 절연성을 가지는 고분자 수지, 가령 폴리프로필렌으로 된 것이 바람직하다. 절연 케이스(190)의 중앙부에는 음극 탭(17)이 통과할 수 있도록 리드 통공(191)이 형성되고, 다른 측방에는 전해액 통과공(192)이 형성되어 있다. 전해액 통과공은 별도로 형성되지 않을 수 있다.
캡 플레이트(110)의 일측에는 전해액 주입공(112)이 형성되며, 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입공을 밀폐시키기 위하여 마개(160)가 설치된다. 마개(160)는 알미늄이나 알미늄 함유 금속으로 만든 볼형 모재를 전해액 주입공(112) 위에 놓고 기계적으로 전해액 주입공(112)으로 압입하여 형성한다. 밀봉을 위해 마개(160)는 전해액 주입공(112) 주변에서 캡 플레이트(110)에 용접된다. 캡 조립체는 캡 플레이트(110) 주변부를 캔(100) 개구부 측벽에 용접하여 캔에 결합된다.
그런데, 이차 전지의 경량화 및 고용량화 요구에 따라 더 많은 전지 용량을 가지면서도 기존보다 작거나 기존 제품과 동일한 부피를 가지는 전지를 개발하는 것이 계속적으로 요구된다. 도2를 통해 살펴본 종래의 각형 리튬 이온 이차 전지에서는 전극 조립체의 탭을 캡 플레이트에 연결하기 위해 상당 부분의 빈 공간을 가지고 있다.
이런 빈 공간은 기존 전지의 구성상 안전과 불량 회피를 위한 불가피한 것일 수 있으나, 전지의 용량 관점에서 볼 때 불필요한 공간이라 할 수 있다. 따라서, 구조상 안전의 문제가 없으면서도 기존 캔형 이차 전지의 빈 공간을 전지 용량 확대를 위해 이용할 수 있는 방법이나 전지 구조의 개발이 요청된다.
본 발명은 상술한 종래 캔형 이차 전지 구조의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전극 조립체의 탭과 캡 플레이트와의 전기 연결을 위한 캔 내부 공간 소모가 없는 캔형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 가공이 기존의 캔형 이차 전지에 비해 용이하고, 공정 시간의 소모를 줄일 수 있는 캔형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 캔형 이차전지의 구조를 간단화하고, 부품 수를 줄일 수 있는 구성의 캔형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캔형 이차 전지는, 양극, 음극, 세퍼레이터를 구비하여 이루어지는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 금속 캔, 전극 조립체의 인입구가 되는 금속 캔의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 구비하여 이루어지며, 금속 캔을 마감하는 캡 어셈블리를 절연체로 함을 특징으로 한다.
본 발명에서 절연체로는 플라스틱, 기타 비금속 절연재질이 사용될 수 있다.
본 발명에서, 캡 어셈블리의 캡 플레이트를 플라스틱 재질로 할 때, 캡 플레이트는 캔에 접착제를 이용하여 결합될 수 있다. 이때, 접착면을 넓히고, 위치 정합을 쉽게 하기 위해 캔 상단의 개구부에 단을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 캡 어셈블리를 플라스틱 재질로 할 경우, 플라스틱 캡 플레이트면에 홀을 형성하거나, 주연부에 홈을 형성하여 전극 조립체의 탭이 캔 밖으로 직접 인출되도록 할 수 있다. 이런 경우, 기존의 전극 단자, 가스켓, 단자 플레이트, 절연 케이스 등 전극 조립체의 각 전극과 보호회로 기판의 안전 장치 혹은 외부 회로를 연결하기 위한 구조들이 제거될 수 있다.
캡 어셈블리를 플라스틱으로 형성하고, 캡 플레이트면에 홀을 통해 탭이 인출될 경우, 홀과 탭 사이의 틈도 접착제를 이용하여 밀봉할 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 이차 전지의 베어 셀의 구조를 나타내는 분해 정단면도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성될 이차 전지를 이루는 캡 플레이트를 상방에서 본 평면도이다.
도 3 및 도4를 참조하여 베어 셀 전지의 형성 방법을 설명하면, 베어 셀 상태의 각형 리튬 이온 전지는 대략 직육면체로 형성되는 각형 캔(11)과, 이 캔(11)의 내부에 수용되는 전극 조립체(22)와, 캔(11)의 개방된 상단과 결합하여 캔 상단을 밀봉하는 캡 조립체를 구비하여 이루어진다.
전극 조립체(22)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 양극판(13), 세퍼레이터(14), 음극판(15)의 적층체를 와형으로 권취하여 형성한다. 권취시의 양극판 및 음극판 사이의 단락을 방지하기 위해 음극판의 외측에는 세퍼레이터가 한층 더 추가된다.
양극판(13)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예컨대 알미늄 호일로 된 양극 집전체와, 그 양면에 코팅된 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층을 포함하고 있다. 양극판(13)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 탭이 전기적으로 연결되어 있다.
음극판(15)은 전도성의 금속 박판, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질층을 포함하고 있다. 음극판(15)에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 탭이 접속되어 있다.
양극판(13) 및 음극판(15)과, 탭들은 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 탭들이 전극 조립체(22)로부터 인출되는 경계부에는 탭과 두 전극판(13,15) 사이의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프가 각각 감겨질 수 있다.
세퍼레이터(14)는 폴리 에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 주로 이루어진다. 세퍼레이터(14)는 양극판 및 음극판(13)(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판간의 단락을 방지하는데 유리하다.
캔(11)은 대략 직육면체의 형상을 가진 알미늄 혹은 알미늄 합금으로 형성된다. 캔(11)의 개방된 상단을 통해 전극 조립체(22)가 수용되어 캔(11)은 전극 조립체 및 전해액의 용기 역할을 하게된다. 캔(11)은 그 자체가 단자역할을 수행할 수 있다.
캡 조립체에는 캔(11)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(200)가 마련되어 있다. 캡 플레이트는 비금속 절연 재질, 가령, 플라스틱 재질로 이루어진다. 캡 플레이트(200)의 중앙부에는 전극 조립체(22)의 한 전극 탭이 통과할 수 있도록 통공(210)이 형성된다.
캡 플레이트(200)의 중앙부를 관통하는 전극 탭과 캡 플레이트(200) 사이의 틈으로 전해액이 누액될 수 있으므로 이런 틈은 전극 탭을 이루는 금속과 결합성이 좋은 플라스틱 재질의 용접봉으로 용접하여 마감할 수도 있다. 그러나, 캡 플레이트와 캔의 개구부를 접착시킨 접착제 혹은 접착성을 가지는 충진재로 이 틈을 채워 밀봉시키는 것이 가공성 면에서 바람직하다.
종래에 캡 플레이트(200) 하면에 있던 절연 플레이트, 단자 플레이트, 전극 단자, 가스켓 등은 본 발명에서는 필요치 않으므로 제거된다. 또한, 전극 탭이 사행하여 내부에 용접되지 않고, 곧게 뻗어 인출될 수 있으므로 전극 조립체 위에 놓이던 PP(polypropylene) 케이스 혹은 절연 케이스도 생략될 수 있다.
전해액을 주입하는 전해액 주입구(230)는 알미늄 볼을 압입하고 용접하여 마감하기 보다는 플라스틱 마개(220)로 마감될 수 있도록 단차를 두어 형성되어 있다. 마개를 막을 때는 밀봉력을 높이기 위해 접착제가 사용될 수 있고, 마개와 전해액 주입구에 나사산을 형성하여 나사 결합시키는 것도 가능하다. 접착제 대신 플라스틱 용접이 이용될 수도 있다. 절연 케이스가 없으므로 전해액 주입도 보다 신속하게 이루어질 수 있다.
본 실시예에서 캔의 개구부와 결합을 용이하도록 캡 플레이트의 주연부에는 단차가 형성되어 있다. 캡 플레이트를 뒤집어 볼 때 낮은, 즉, 두께가 얇은 부분과 두 단의 사이에 있는 측면에 접착제가 도포되고, 캡 플레이트의 두껍게 형성된 부분을 캔 개구부에 끼워 캔을 마감한다.
다른 실시예에 따르면, 캡 플레이트 주연부에 단을 형성하는 대신, 상기 캔의 개구부 끝단에는 상기 캡 조립체와의 접착제 결합을 위해 단을 형성할 수도 있다.
도5는 본 발명에 따라 핫 멜트형 캔형 이차 전지를 형성하기 위해 베어 셀과 보호회로 기판을 결합하는 방법을 나타내는 공정 단면도이다.
도5의 베어 셀의 형성 방법은 도3 내지 도4에 도시된 실시예에서의 설명과 유사하게 이루어질 수 있다. 단, 전극 탭이 넓은 면을 정면에서 볼 때 중앙을 기준으로 대칭되게 두 극성의 전극 탭이 형성된다. 캡 플레이트(200)와 캔(11)의 개구부를 결합시키는 것은 접착제(240)이며, 전극 탭이 인출되도록 형성된 캡 플레이트(200)의 홀과 전극 탭 사이의 틈새를 밀봉하는 것도 접착제(20)이다.
캡 플레이트의 홀을 통해 인출되는 전극 탭은 그 자체로 보호회로 기판(300)의 리드 플레이트(320)들과 용접 등의 방법으로 결합된다. 310의 도면부호는 외부 입출력 단자를 나타낸다.
이런 구성에서 후속적으로, 보호회로 기판과 베어 셀이 결합된 코아 셀 상태로 이차 전지는 몰드에 장착된다. 몰드 내로 핫 멜트 수지가 주입되고, 냉각 혹은 경화를 통해 보호회로 기판과 베어 셀이 틈이 없이 결합되어 외관이 완성된 하드 팩 상태의 전지를 이루게 된다.
이상의 실시예에서 사용될 수 있는 플라스틱으로는 금속과의 용접성, 가공성이 뛰어난 엔지니어링 플라스틱류를 사용하는 것이 바람직하다. 근래에 개발된 엔지니어링 플라스틱은 알미늄보다 가볍고 높은 기계적 강도를 유지할 수 있는 것들이 있으며, 접착제는 전해질에 의해 분해되거나 변성되지 않도록 내화학성, 내열성을 가진 것들을 사용하는 것이 바람직하다.
가령, 금속 캔과 플라스틱 캡 플레이트가 닿는 곳을 밀착시킬 접착재로는 에폭시 등이 사용될 수 있다. 이때 에폭시는 가공 효율을 높이기 위해 경화시간을 짧게 하는 것이 바람직하다.
그리고, 이상의 예에서는 캡 플레이트에 전극 탭의 인출을 위한 중앙 홀을 형성하는 형태를 나타내었으나, 캡 플레이트의 주변부에 탭의 인출을 위한 홈을 형성하고, 캡 플레이트와 캔의 개구부가 만나는 곳에 이 홈에 의해 전극 탭 인출을 위한 홀이 형성되는 효과를 갖는 다른 본 발명의 실시예를 제시하는 것도 가능하다.
본 발명에 따르면, 캔형 이차 전지를 형성함에 있어 캡 조립체를 형성하는 많은 부품을 줄일 수 있으므로 캔형 이차 전지의 생산 단가를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 캔 내에서 전극 조립체 위에 설치되는 절연 케이스 등을 생략시켜 캔 내에 전극 활물질이나 전해액이 수용될 공간을 늘림으로써 소형 고용량화된 이차 전지의 구현이 가능하게 한다.
또한, 캡 조립체와 캔 사이의 용접이 없어질 수 있으므로 전지 생산의 단가를 줄일 수 있고, 용접으로 인한 불량을 줄일 수도 있다.

Claims (13)

  1. 두 전극 및 세퍼레이터를 구비하여 이루어지는 전극 조립체,
    상기 전극 조립체를 수용하는 금속 캔,
    상기 전극 조립체의 인입구가 되는 상기 금속 캔의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 구비하여 이루어지며,
    상기 캡 어셈블리가 절연체로 이루어짐을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연체로는 플라스틱이 사용됨을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리의 캡 플레이트와 상기 캔의 개구부는 접착제로 결합되는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캔의 개구부 끝단에는 상기 캡 조립체와의 접착제 결합을 위해 단을 형성한 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리의 캡 플레이트면에 상기 전극 조립체의 전극 탭 인출을 위한 홀이 적어도 하나 형성되는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 홀과 상기 전극 탭 사이의 틈이 접착제로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리의 캡 플레이트면 주연부에 상기 전극 조립체의 전극 탭 인출을 위한 홈이 적어도 하나 형성되고 상기 홈은 상기 캡 플레이트가 상기 캔의 개구부와 결합된 상태에서 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 홀과 상기 전극 탭 사이의 틈이 접착제로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 캡 조립체의 캡 플레이트에는 전해액 주입구가 형성되고,
    상기 전해액 주입구를 밀봉하는 마개는 플라스틱으로 형성됨을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전해액 주입구 내면과 상기 마개의 외면에는 상응하는 나사산이 형성되어 상기 전해액 주입구는 상기 마개와 나사결합되는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 접착제는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  13. 삭제
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