KR100624979B1 - 캡 조립체와 이를 구비하는 리튬이온 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬이온 이차전지의 전해액 주입구를 밀폐시키는 구조가 개선된 캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.

본 발명은 적어도 단자통공과 일측에 전해액 주입구가 형성된 캡 플레이트를 구비하는 캡 조립체에 있어서, 상기 전해액 주입구는 두께 방향으로 단차부를 형성하고, 상기 전해액 주입구에 형성된 단차 구조에 대응되는 구조로 형성되어 있으며 상기 전해액 주입구를 밀폐시키는 밀봉마개가 구비되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

캡 조립체와 이를 구비하는 리튬이온 이차전지{Cap Assembly and Lithium ion Secondary Battery with the same}

도 1은 종래의 이차전지를 일부 절개하여 도시한 단면도.

도 2는 종래의 전해액 주입구가 밀폐된 이후의 상태를 확대하여 도시한 단면도.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 절개하여 도시한 단면도.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전해액 주입구 부분을 도시한 단면도.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전해액 주입구 부분을 도시한 단면도.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전해액 주입구 부분을 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

30...리튬이온 이차전지 31...캔

32...전극 조립체 33...제1전극판

34...세퍼레이터 35...제2전극판

300...캡 조립체 310, 310a, 310b...캡 플레이트

312,312a,312b...전해액 주입구 360, 360a, 360b...밀봉마개

390, 390a, 390b...단차부 400, 400a, 400b...돌출부

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬이온 이차전지의 전해액 주입구를 밀폐시키는 구조가 개선된 캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.

통상적으로, 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로, 근래에 개발된 이차전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.

이러한 이차전지는 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 리튬이온 이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지는 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

도 1은 일반적인 각형 리튬이온 이차전지를 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 이차전지(10)는 캔(11)과, 상기 캔(11)의 내부의 수용되는 전극조립체(12)와 상기 캔(11)의 상단개구부에 결합되는 캡 조립체(100)를 포함하여 구성된다.

상기 캔(11)은 각형 리튬이온 이차전지에서 대략 직육면체에서 위쪽이 개방 된 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성된다. 상기 캔(11)은 제 1 전극판(13), 세퍼레이터(14), 제 2 전극판(15)으로 이루어진 전극조립체(12)와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체(12)가 캔(11)의 개방된 상단, 즉, 상단개구부를 통해 삽입된 후 상단개구부는 캡 조립체(100)에 의해 봉해진다.

상기 캡 조립체(100)에는 캔(11)의 상단개구부에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(110)가 구비된다. 상기 캡 플레이트(110)의 중앙부에는 전극단자가 통과할 수 있도록 단자통공(111)이 형성된다. 상기 캡 플레이트(110)의 중앙부를 관통하는 제 1 또는 제 2 전극단자(120) 외측에는 제 1 또는 제 2 전극 단자(120)와 캡 플레이트(110)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(130)이 설치된다. 상기 캡 플레이트(110)의 단자통공(111) 근방에는 캡 플레이트(110) 하면부에 절연판(140)이 배치되어 있고, 상기 절연판(140)의 하부면에는 전극 단자(120)와 통전되는 터미널 플레이트(150)가 구비되어 있다.

또한, 상기 캡 플레이트(110)에는 내압 상승하여 일정 압력 이상 도달 시 개스가 방출될 수 있도록 하는 안전밴트(190)가 장착되어 있다. 상기 캡 플레이트(110)의 일측에는 상기 캔(11)의 내부에 전해액을 주입하기 위한 통로를 제공하는 전해액 주입구(112)가 형성되어 있다. 상기 전해액 주입구(112)는 볼(160)을 압입하여 밀폐시키게 된다.

상기 전극조립체(12)는 제 1 전극판(13)과 제 2 전극판(15)사이에 세퍼레이터(14)가 게재되면서 권취되어 형성된다. 상기 제 1 전극판(13)은 제 1 전극탭(16) 을 통하여 캡 플레이트(110)에 전기적으로 연결되며, 제 2 전극탭(15)은 제 2 전극탭(17)을 통하여 캡 플레이트(110)의 전극단자(120)에 전기적으로 연결 된다.

캡 조립체(100)가 캔(12) 상단과 용접된 뒤에는 캡 플레이트(110)의 전해액 주입구(112)를 통해 전해액이 투입된다. 전해액 주입구(112)는 알루미늄 볼(160)이 압입되어 밀봉된다.

도 2는 전해액 주입구(112)가 밀폐된 이후의 상태를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 상기 캡 플레이트(110)에는 전해액 주입구(112)가 형성되어 있다. 상기 전해액 주입구(112)가 형성된 캡 플레이트(110)의 윗면에는 그 주위를 따라 테이퍼부(161)가 형성되어 있다. 상기 테이퍼부(161)에는 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입구(112)를 밀폐시키기 위하여 볼(160)이 위치하고 있다.

상기 볼(160)은 그 상부로부터 승강운동을 하는 프레스와 같은 가압수단으로 상기 전해액 주입구(112)에 압착하는 것이 가능하다. 상기 전해액 주입구(112)는 볼(160)을 압착시킨 후, 상기 볼(160)과 캡 플레이트(110) 사이에 압착된 경계부분을 따라서 레이저 용접을 통하여 용접 부위(162)가 형성됨으로써 밀폐되는 것이 가능하다.

그러나 종래의 리튬이온 이차전지에서 전해액 주입구(112)는 볼(160)을 압입하는 방법으로 밀봉되므로, 전해액 주입구(112)와 볼(160) 사이의 미세 틈이 존재하기 쉽고, 이 틈으로 전해액이 누출되는 문제점이 있다. 특히, 최근에는 이차전지의 고용량화에 따라 캔(12)의 내부에 주입되는 전해액의 양이 증가되면서 전해액 주입구(112)와 압입된 볼(160) 사이의 모세관 현상에 의하여 전해액이 전해액 주입 구(112)의 상부로 유출되게 된다. 상부로 유출된 전해액은 레이저 용접시 과도한 스파터를 발생시켜 전해액 주입구(112)에 대한 밀폐성을 보장하지 못하게 되어 전지의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 압입 및 레이저 용접 후 상기 볼(160) 상측에 전해액의 누액을 방지하기 위해 UV 코팅을 하고 있으나, 이 경우 코팅을 건조 또는 경화시키는 단계가 필요하여, 전지의 제조 공정시간이 길어지며, UV 코팅에 따른 비용이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 볼(160)을 이용한 압착방식으로 전해액 주입구(112) 밀폐시 전해액 주입구(112) 주위가 전해액 주입구(112) 방향으로 기울어져서 캡 플레이트(110)가 변형되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 보다 상세하게는 리튬이온 이차전지의 전해액 주입구를 밀폐시키는 구조가 개선된 캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 적어도 단자통공과 일측에 전해액 주입구가 형성된 캡 플레이트를 구비하는 캡 조립체에 있어서, 상기 전해액 주입구는 두께 방향으로 단차부를 형성하고, 상기 전해액 주입구에 형성된 단차 구조에 대응되는 구조로 형성되어 있으며 상기 전해액 주입구를 밀폐시키는 밀봉마개가 구비되는 캡 플레이트를 포함하는 캡 조립체를 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 권취형 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스와 내부의 두께 방향으로 단차가 형성되어 있는 전해액 주입구와 상기 전해액 주입구의 단차구조와 대응되는 구조로 형성되며 상기 전해액 주입구를 밀폐시키는 밀봉마개가 구비되어 형성되는 캡 플레이트를 포함하는 캡 조립체를 구비하는 리튬이온 이차전지를 제공하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 상세하게 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예의 따른 리튬이온 이온이차전지의 일부를 절개하여 도시한 단면도이다. 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전해액 주입구 부분을 도시한 단면도이다. 도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전해액 주입구 부분을 도시한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전해액 주입구 부분을 도시한 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 리튬이온 이차전지(30)는 캔(31)과 상기 캔(31)의 내부에 수용되는 전극조립체(32)와, 상기 캔(31)의 상단개구부를 밀봉하는 캡 조립체(300)를 포함하여 형성된다.

상기 캔(31)은 각형 리튬이온 이차전지에서 대략 직육면체에서 위쪽이 개방된 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 일반적으로 가볍고 부식에 대처가 용이한 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용된다. 캔(31)은 제 1 전극판(33), 세퍼레이터 (34), 제 2 전극판(35)으로 이루어진 전극조립체(32)와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체(32)가 캔(31)의 개방된 상단, 즉, 상단개구부를 통해 캔(31)에 삽입된 뒤 캔(31)의 상단개구부는 캡 조립체(300)에 의해 봉해진다.

상기 전극조립체(32)는 제 1 전극판(33)과, 제 2 전극판(35)과, 상기 제 1 전극판(33) 및 제 2 전극판(35) 사이에 개재되어 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(34)를 포함하고 있다. 상기 전극조립체(32)는 제 1 전극판 및 제 2 전극판(33, 35)과, 세퍼레이터(34)가 각각 한 장의 스트립으로 이루어져 있으며, 제 1 전극판(33), 세퍼레이터(34), 제 2 전극판(35), 세퍼레이터(34) 순으로 배치되어, 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 감겨져 있다.

상기 제 1 전극판 또는 제 2 전극판(33, 35)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예컨대 알루미늄 호일로 된 양극 집전체와, 그 양면에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 슬러리가 코팅되어 있다. 상기 제 1 전극판 또는 제 2 전극판(33, 35)은 전도성의 금속 박판, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체와, 그 양면에 탄소재를 주성분으로 하는 슬러리가 코팅되어 있다.

상기 세퍼레이터(34)는 폴리 에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어져 있다. 상기 세퍼레이터(34)는 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판(33, 35)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판(33, 35)간의 단락을 방지하는데 유리하다고 할 것이다.

상기 전극조립체(32)의 상기 제 1 전극판(33)에는 제 1 전극탭(36)이 용접되어 있으며, 이 제 1 전극탭(36)의 단부는 상기 전극조립체(32)의 상방으로 돌출하 여 있다. 상기 제 2 전극판(35)에도 제 2 전극탭(37)이 용접되어 있으며, 이 제 2 전극탭(37)의 단부도 상기 전극조립체(32)의 상방으로 돌출하여 있다. 상기 제 1 전극판(33)은 제 1 전극탭(36)을 통하여 캡 플레이트(310)에 전기적으로 연결되며, 제 2 전극판(35)은 제 2 전극탭(37)을 통하여 전극단자(320)와 전기적으로 연결된다. 상기 제 1 전극판(33)과 상기 제 2 전극판(35)은 음극 또는 양극으로 작용할 수 있다.

상기 캡 조립체(300)는 적어도 전극단자(320)와 상기 캔(31)의 개구부와 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(310)를 포함하여 형성된다.

상기 전극단자(320)는 상기 단자통공(311)에 관통되어 결합되며, 전극단자(320) 외측에는 전극단자(320)와 캡 플레이트(310)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(330)이 설치된다. 캡 플레이트(310)의 단자통공(311) 근방의 캡 플레이트(310) 하면부에는 절연판(340)이 배치되어 있다. 절연판(340)의 하면부에는 터미널플레이트(350)가 설치되어 있다.

상기 캡 플레이트(310)는 캔(31)의 상단개구부의 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형으로 형성되며, 중앙부에는 단자통공(311)과 일측의 전해액 주입구(312)를 구비한다. 상기 전해액 주입구(312)는 상기 캡 플레이트(310) 두께 방향으로 단차부(390)가 형성된 형상으로 형성되어 있으며, 상기 단차부(390)에는 상측 방향으로 돌출부(400)가 더 형성되어 있다. 상기 단차부(390)가 형성된 전해액 주입구(312)는 상기 단차구조와 대응되는 구조로 형성되어 있는 밀봉마개(360)로 밀폐되며, 상기 밀봉마개(360)는 상기 캡 플레이트(310)와 접촉되는 가장자리 면을 따라 레이저 용접 등의 방법으로 고정된다.

상기 전해액 주입구(312)에 형성된 단차부(390)는 전해액의 누액 경로를 증가시킬 뿐만 아니라, 전해액이 바로 전지의 외부로 누액 되지 않고 전지 내부에서 고일 수 있는 소정의 공간을 형성시켜 전해액 누액을 이차적으로 방지할 수 있다.

상기 밀봉마개(360)는 상기 전해액 주입구(312)에 형성된 단차구조와 대응되는 구조로 형성되어 있어 상기 전해액 주입구(312)를 밀폐시킬 때 볼을 압입하지 않아도 상기 전해액 주입구를 완전히 밀폐시킬 수 있으며, 상기 볼을 압입할 때 발생될 수 있는 전해액의 누액을 방지할 수 있다. 또한, 상기 밀봉마개(360)는 상기 전해액 주입구(312)의 단차 구조와 일체적으로 맞물려 상기 전해액 주입구(312)를 완전 밀폐시킬 수 있어 밀폐 및 레이저 용접 후 별도의 UV 코팅과정이 필요하지 않다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 제 2 실시예 및 제 3 실시예를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 상기 전해액 주입구(312a)에는 이단으로 형성된 단차부(390a)가 형성될 수 있다. 상기 이단으로 형성된 단차부(390a)에서 하측 단차부에 상측 방향으로 돌출부(400a)가 형성되어 있다. 상기 단차부(390a)는 캡 플레이트(310a)의 두께 방향으로 단차가 한번더 형성되어 있어 전해액의 누액경로가 더욱 증가되어 전해액 누액을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 6을 참조하면, 상기 전해액 주입구(312b)에는 이단으로 형성된 단차부(390b)가 형성될 수 있다. 상기 이단으로 형성된 단차부(390b)에서 상측 단차부에 상측 방향으로 돌출부(400b)가 형성되어 있다. 상기 단차부(390b)는 캡 플레이트 (310b)의 두께 방향으로 단차가 한번더 형성되어 있어 전해액의 누액경로가 더욱 증가되어 전해액 누액을 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 전해액 주입구(312)는 상기 전해액 주입구(312)에 형성된 단차형상과 상응되는 밀봉마개(360a, 360b)에 의해 밀폐되며, 상기 밀봉마개(360a, 360b)는 상기 캡 플레이트(310a, 310b)에 접촉되는 가장자리 면을 따라 레이저 용접 등의 방법으로 고정된다.

다음은 본 발명에 따른 이차전지의 작용에 대하여 설명한다.

상기 전해액 주입구(312)는 돌출부(400)가 구비된 단차부(390)가 형성되어 있어 밀폐시 전해액 누액 경로가 길어져 상기 밀봉마개(360)와 캡 플레이트(310)의 용접 부위(380)까지 전해액이 누액 되지 않아 용접 신뢰도가 향상되고, 전해액 주입구(312)를 완전 밀폐시킬 수 있으며, UV 코팅 공정이 필요하지 않아 공정시간 및 비용을 감소시킨다. 또한, 볼을 압입하는 방식으로 상기 전해액 주입구(312)를 밀폐시키지 않아, 압입에 따른 캡 플레이트(310)의 변형을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 리튬이온 이차전지에 의하면 전해액 주입구는 돌출부가 구비된 단차부가 형성된 형태로 형성되며, 상기 단차부와 상응되는 밀봉마개로 밀폐된 후 밀봉마개를 용접함으로써 전해액이 용접부위에 유입되는 것을 막을 수 있다. 특히, 압입에 의한 방법이 아닌 밀봉마개를 전해액 주입구에 끼워 넣는 방법으로 밀폐시킴으로써 전해액 주입구에 미세 틈이 형성되지 않으므로, 모세관현상으로 용접부위로 전해액이 누액 되지 않으며, 레이저 용접시 상부로 유입된 전해액에 의하여 유발되는 과도한 스파크를 방지시켜 전해액 주입구에 대한 밀폐성을 보장하게 되어 전지의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 볼을 이용한 압입방식으로 전해액 주입구를 밀폐시킬 필요가 없으므로, 볼의 압입에 따른 캡 플레이트의 변형을 방지할 수 있다. 따라서 전해액 주입구에 틈이 생기는 것을 방지하여 전해액이 누출되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 밀봉마개로 전해액 주입구를 밀폐시킨 후 UV 코팅을 하지 않아도 전해액 누액을 방지할 수 있어 전지의 공정시간 및 생산 비용을 감소시키는 효과가 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (9)

1. 적어도 단자통공과 일측에 전해액 주입구가 형성된 캡 플레이트를 구비하는 캡 조립체에 있어서,

   상기 전해액 주입구는 두께 방향으로 단차부를 형성하고, 상기 전해액 주입구에 형성된 단차 구조에 대응되는 구조로 형성되어 있으며 상기 전해액 주입구를 밀폐시키는 밀봉마개가 구비되어 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전해액 주입구에 형성된 단차부에는 상측으로 돌출된 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 전해액 주입구에 형성된 상기 단차가 이단으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 전해액 주입구에 이단으로 형성된 단차부의 하측 단차부에 상측 방향으로 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 전해액 주입구에 이단으로 형성된 단차부의 상측 단차부에 상측 방향으로 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 밀봉마개는 상기 전해액 주입구에 안착되며, 상기 캡 플레이트와 접촉되는 가장자리 면을 따라 용접 고정되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
7. 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 권취형 전극 조립체와;

   상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스와;

   두께 방향으로 단차가 형성되어 있는 전해액 주입구와 상기 전해액 주입구의 단차구조와 대응되는 구조로 형성되며 상기 전해액 주입구를 밀폐시키는 밀봉마개가 구비되어 형성되는 캡 플레이트를 포함하는 캡 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 전해액 주입구에 형성된 단차부에는 상측으로 돌출된 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 밀봉마개는 상기 전해액 주입구에 안착되며, 상기 캡 플레이트와 접촉되는 가장자리 면을 따라 용접 고정되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.

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