KR100627360B1 - 집전판용 플레이트와 이의 이차 전지 및 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집전판을 개선한 이차 전지에 관한 것으로, 폭 방향 단부로 무지부가 구비된 양극판과 음극판을 세퍼레이터를 사이에 두고 권취해서 형성되는 전극 조립체; 상기 무지부 전체와 대향 접촉하고, 리드 단자가 일체로 형성되는 집전판; 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 및, 상기 케이스를 밀폐하는 캡 조립체;를 포함해서 구성된다.
이차 전지, 집전판, 집전, 플레이트, 무지부

Description

집전판용 플레이트와 이의 이차 전지 및 전지 모듈{PLATE USED TO COLLECT CURRENT, SECONDARY BATTERY AND MODULE THEREOF}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 전극 조립체의 모습을 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 집전판을 형성하는 플레이트를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 3에 의한 플레이트로 집전판이 형성된 예를 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 집전판을 형성하는 플레이트를 보여주는 사이도이다.
도 6은 도 4에 의한 플레이트로 집전판이 형성된 예를 보여주는 사시도이다
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 전극 조립체의 모습을 보여주는 사시도이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세히는 집전판을 개선한 이차 전지에 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) 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 HEV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터와 같은 곳에서 모터 구동용 전원으로 사용된다.
소형 전지가 하나의 셀로서 구성될 때에는 주로 원통형이나 각형의 외형을 가지고 형성되는 바, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극군을 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 대형 전지에 적용하는 경우에는 용량이나 출력면에서 대형전지의 동작 특성을 만족시키지 못하기 때문에, 복수의 탭을 전극 조립체 사이에 부착하여 사용하는 멀티탭 구조가 제안되었으며, 나아가 서는 판 상의 플레이트를 탭으로 사용하는 이차 전지가 제안되었다.
이 같은 구성을 갖는 이차 전지는 그 형상이 원통형 또는 직육면체와 같은 각형으로 이루어지고, 복수(약, 40개 전후)의 이차 전지들을 모아 전지 모듈로 구성하게 된다.
한편, 대용량 고출력이 요구되는 전지 모듈용 이차 전지의 동작 특성을 감안하면, 단위 체적당 에너지 밀도가 높게 각 이차 전지들을 구성해야 함은 물론, 그 집전 성능 역시 고려해야 한다. 이를 해결하는 하나의 방법이 집전판의 구조를 개선하는 것으로써 이 사이의 접촉 저항을 최대한 줄이는 것이다.
본 발명은 이 같은 배경에서 개발된 것으로, 집전판 사이의 접촉 저항을 최대로 줄여 집전 효율을 향상시킨 이차 전지를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서 제공하는 이차 전지는,
폭 방향 단부로 무지부가 구비된 양극판과 음극판을 세퍼레이터를 사이에 두고 권취해서 형성되는 전극 조립체;
상기 무지부 전체와 대향 접촉하고, 리드 단자가 일체로 형성되는 집전판;
상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 및,
상기 케이스를 밀폐하는 캡 조립체;를 포함해서 구성된다.
본 발명에서, 상기 집전판은 상기 무지부 전체와 접촉하는 베이스와, 상기 베이스에서 연장 형성되는 리드 단자로 이루어지고,
상기 리드 단자와 베이스가 한 장의 금속 플레이트로 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명에서 상기 캡 조립체는 양, 음극용 리드 단자를 구비하고 있으며, 상기 리드 단자 및 전극 단자는 리드선을 매개로 연결되거나, 상기 리드 단자가 상기 전극 단자에 바로 연결될 수도 있다.
한편, 본 발명에서, 상기 집전판은 평면상으로 서로 나란하게 붙임으로써 상기 무지부와 접촉하는 접촉면을 형성하는 한 쌍의 집전부;와, 상기 집전부를 서로 연결하고 있으며, 이를 접음으로써 리드 단자를 형성하는 리드부;를 구비하는 플레이트로부터 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 리드부를 접었을 때, 이 둘 사이를 서로 부착하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 집전부는 무지부의 형상을 균등하게 분할하고 있는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 플레이트는 상기 리드부의 중심선을 두고 서로 대칭적인 모습으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 집전판은 상기 무지부와 접촉하는 접촉면을 형성하는 집전부;와, 상기 집전부의 측면으로 연장해서 형성되며, 이를 꺾음으로써 리드 단자를 형성하는 리드부;를 구비하는 플레이트로부터 형성될 수도 있다.
본 발명에서, 상기 집전판은 무지부와 대향 접합한 상태에서 레이저 용접으로 상기 집전판이 무지부에 고정된다.
이때, 상기 집전판과 상기 무지부의 접합면 형상은 서로 대칭하는 것이 바람 직하다.
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 본 발명에서 제공하는 전지 모듈은,
순차적으로 배열되는 복수의 이차 전지와, 상기 이차 전지를 내장하는 하우징을 포함하는 전지 모듈에 있어서,
리드 단자가 일체로 형성되는 집전판을 사용해서 전극 조립체와 전극 단자를 연결하는 구조로 형성되는 이차 전지를 복수로 서로 연결시켜서 전지 셀을 구성하고, 이를 상기 하우징에 수납해 구성된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 제공하는 집전판용 플레이트는,
평면상으로 서로 나란하게 붙임으로써 피접합물과 접촉면을 형성하는 한 쌍의 집전부; 및,
상기 집전부를 서로 연결하고 있으며, 이를 접음으로써 단자를 형성하는 리드부;를 구비한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 제공하는 집전판용 플레이트는,
피접합물과 접촉면을 형성하는 집전부; 및,
상기 집전부의 측면으로 연장해서 형성되며, 단자를 이루는 리드부;를 구비한다.
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 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 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극판(22) 및 음극판(23)을 권취해서 형성한 각형의 전극 조립체(25)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 각형의 전극 조립체(25)가 삽입 안착될 수 있는 개구부가 형성된 육면체 형상으로 이루어진다. 도면에서는 케이스(11)에 캡 조립체(30)가 조립된 예를 도시해서 개구부가 도시되지 않았지만, 캡 조립체(30)의 둘레(11a) 부분이 실질적으로 개방된 부분이다.
다음으로, 전극 조립체(25)는 양극판(22)과 음극판(23) 사이에 세퍼레이터 (21)를 개재하고, 횡권축(O)을 중심으로 말아서 젤리롤 형태로 형성한 다음에, 이를 프레스와 같은 가압 수단으로 프레싱해서 각형으로 형성하게 된다. 이 같은 방식으로 형성된 각형 전극 조립체(25)가 도 2에 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 전극 조립체(25)는 양극판(22)과 음극판(23)을 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 서로 포개어 권취할 때, 서로 대향하는 방향으로 각각 양, 음극의 무지부(22b, 23b)가 나오도록 서로 포갠 상태에서 이들을 권취해서 전극 조립체(25)를 형성한다. 여기서, 무지부(22b, 23b)는 활물질을 도포하지 않아 극판용 집전체가 그대로 드러난 영역을 말한다.
이에 따라, 도 2에서 예시하고 있는 전극 조립체(25)처럼 양 단부로 각각 양, 음극용 무지부(23b, 22b)가 위치하게 된다.
이처럼 형성된 전극 조립체(25)의 무지부(22b, 23b)에는 본 실시예에 따른 집전판(50)이 부착된다. 이 접전판(50)은 무지부(22b, 23b)와 대향하는 형태로 고정된다.이에 대해서는 도면을 달리해서 아래에서 자세히 설명한다.
그리고, 캡 조리체(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 후술하는 양, 음극용 집전판에 각각 연결되어 이차 전지의 양극 및 음극 단자를 형성하게 된다.
이 양, 음극용 전극 단자(60, 70)는 캡 조립체에 형성된 홈(미도시)을 통해서 상기 케이스(11)의 외부로 돌출되게 각각 고정되어 있다. 이때, 케이스(11)의 외부로 돌출된 전극 단자(60, 70)에는 나사산(S)이 형성되어 있으며, 캡 조립체와 의 사이에 가스켓(G)을 개재한 상태에서 상기 나사산(S)을 따라 볼트(B) 체결하는 것으로 전극 단자(60, 70)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 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 3 내지 도 7을 참조해서 본 발명의 실시예에 따른 집전판에 대해서 설명한다.
본 실시예에서, 집전판(50)은 접촉 저항에 의한 집전 효율의 저하를 최대한 방지하는 구조로 형성이 되는데, 양, 음극 무지부(22b, 23b) 각각에 대해서 무지부 전체와 접촉하는 베이스와, 이 베이스에 전기적으로 연결되고, 전극 단자(60, 70)와 연결되는 리드 단자를 구비한다. 이때, 베이스와 리드 단자 사이의 접촉 저항을 줄이기 위해서는 한 장의 금속 플레이트를 사용해서 리드 단자 및 베이스를 구성함이 바람직하다.
그럼, 이에 대해서 첨부된 도면을 참조해서 자세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 집전판을 형성하는 플레이트를 보여주는 사시도이다.
이를 참조하면, 플레이트(10)는 동일 평면상으로 서로 나란하게 붙임으로써 무지부와의 접촉면(接觸面)을 형성하는 한 쌍의 집전부(121, 123)를 형성하고 있고, 이 집전부를 서로 연결하고 있으며, 이를 접음으로써 리드 단자를 형성하는 리드부(110)를 구비하고 있다.
여기서, 상기 집전부(121, 123)의 형상은 무지부(22b, 23b)의 접합면(22a, 23a) 모습을 서로 나누고 있는 형태로 형성됨이 바람직하다. 도 3에서는, 무지부(22b, 23b)의 형상이 장축으로 긴 타원형으로 형성되는 경우를 예를 들어서 집전부(121, 123)의 형상을 도시하고 있다. 따라서, 집전부(121, 123) 각각은 반 타원형의 모습을 갖게 된다.
이처럼 형성되는 집전부(121, 123)는 그 사이에 리드부(110)가 위치해서 이 둘(121, 123)을 서로 연결하고 있으며, 이때 리드부의 형상은 특별히 한정되지 않는다.
이처럼 형성된 플레이트(100)는 리드부(110)의 중심을 따라 리드부(110)를 접고, 각 집전부(121, 123)와 리드부(110)가 만나는 지점을 접어주게 되면, 도 4와 같은 형상의 집전판으로 형성이 된다.
이때, 리드부(110) 사이는 용접으로 서로 부착하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 리드부(110) 사이의 접촉에 의한 저항을 줄일 수가 있다.
따라서, 집전판의 베이스와 리드 단자가 하나의 플레이트로 형성이 되기 때 문에, 이 사이의 접촉에 의한 저항을 최소로 줄일 수 있는 장점이 있다. 더욱이, 베이스 형상이 무지부의 접합면(22a, 23a) 모습과 형합(形合)하기 때문에, 베이스와 무지부 전체가 접촉함으로써 집전판과 무지부 사이의 접촉 면적을 증대하고 있다. 따라서, 둘 사이의 접촉 저항은 최대로 줄이면서 상대적으로 집전 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 5는 본 실시예의 집전판을 형성하는 다른 예의 플레이트를 보여주고 있다.
도 5에 따른 플레이트(100)는 무지부와 접촉하는 접촉면을 형성하는 집전부(110);와, 상기 집전부의 측면으로 연장해서 형성되며, 이를 꺾음으로써 리드 단자가 형성되는 리드부(120)를 구비하고 있다.
이 예의 집전부(110) 역시 상술한 바와 같은 이유로 무지부(22b, 23b)와 형합하는 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 집전부(110)의 측면으로 리드부(120)를 형성하고 있는데, 이처럼 리드부(12)를 집전부(110) 측면으로 연장 형성하게 되면 집전부(110)의 면적을 줄이지 않으면서도 집전부(110)에 일체로 리드 단자를 형성할 수가 있다.
이처럼 형성된 플레이트(100)는 리드부(120)와 집전부(110)가 서로 만나는 지점을 따라 리드부(110)를 꺾어 줌으로써 집전판이 형성된다(도 6 참조).
상술한 바처럼 형성된 집전판(50)은 무지부(22b, 23b)에 조립되는데, 도 7에서와 같이 전극 조립체(25)의 횡권축(O) 방향 양 단부로, 무지부(22b, 23b)에 대향하게 집전판(50)을 위치시키고, 이 상태에서 접전판(50)을 무지부(22b, 23b)에 각 각 접합시켜 집전판(50) 위로 레이저 용접하는 것으로 집전판(50)을 무지부(22b, 23b)에 결합한다.
그리고, 집전판(50)의 리드 단자에 리드선을 각각 연결하고, 이 리드선을 전극 단자(60, 70)에 각각 연결한다. 선택적으로, 리드선을 사용하지 않고, 전극 단자를 리드 단자에 직접 연결할 수도 있다.
즉, 전극 조립체(25)이 케이스(11)에 수납될 때, 횡권축(O)이 수평한 상태로 수납이 되기 때문에 리드 단자가 케이스(11)의 측벽을 향해서 각각 배치되고, 이 상태에서 캡 조립체(30)가 전극 조립체(25) 위로 놓이게 되는데, 이때 상기 캡 조립체(30)에 고정되는 전극 단자를 리드 단자 바로 위로 배치해서 전극 단자와 리드 단자를 직접 연결한다.
한편, 전극 조립체(25)이 케이스(11)에 수납되고 난 후에는 집전판(50)과 동일 극성의 전극 단자(60, 70)가 위치하도록 캡 조립체(30)를 위치시키고, 이 상태에서 캡 조립체(30)와 케이스의 접합면을 따라 레이저 용접해서 캡 프레이트(30)를 케이스(11)에 결합한다.
그리고, 캡 조립체(30)에 형성된 전해액 주입구(미도시)를 통해서 케이스 내부로 전해액을 주입하는 것으로 본 실시예의 이차 전지가 완성된다.
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, 전극 단자와 전극 조립체의 연결 구조를 개선해서 집전 효율을 증대하는 효과가 있다. 특히, 각형 이차 전지에도 집전판 구조를 채택함으로써 집전 성능을 높일 수가 있으며, 더욱이 집전판과 리드 단자를 일체로 형성함으로써 집전판 내부의 저항을 최소로 줄여 대형 전지가 요구하는 동작 특성을 만족시킬 수 가 있다.

Claims (20)

  1. 폭 방향 단부로 무지부가 구비된 양극판과 음극판을 세퍼레이터를 사이에 두고 권취해서 형성되는 전극 조립체;
    상기 무지부 전체와 대향 접촉하는 베이스와 상기 베이스에서 연장 형성되는 리드 단자를 포함하고, 한 장의 금속 플레이트로 형성되는 집전판;
    상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 및,
    상기 케이스를 밀폐하는 캡 조립체;
    를 포함하는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 양, 음극용 전극 단자를 구비하고 있으며, 상기 리드 단자 및 전극 단자가 리드선을 매개로 연결되는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리드 단자가 상기 전극 단자에 바로 연결되는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집전판이,
    평면상으로 서로 나란하게 붙임으로써 상기 무지부와 접촉하는 접촉면을 형성하는 한 쌍의 집전부;와,
    상기 집전부를 서로 연결하고 있으며, 이를 접음으로써 리드 단자를 형성하는 리드부;
    를 구비하는 플레이트로부터 형성되는 이차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리드부를 접었을 때, 중첩된 리드부는 용접으로 고정되는 이차 전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 집전부가 무지부의 형상을 균등하게 분할하고 있는 형상으로 형성되는 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 플레이트가 상기 리드부의 중심선을 두고 서로 대칭적인 모습으로 형성되는 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 집전판이,
    상기 무지부와 접촉하는 접촉면을 형성하는 집전부;와,
    상기 집전부의 측면으로 연장해서 형성되며, 이를 꺾음으로써 리드 단자를 형성하는 리드부;
    를 구비하는 플레이트로부터 형성되는 이차 전지.
  10. 제1항 또는 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집전판과 무지부가 대향 접합한 상태에서 레이저 용접으로 상기 집전판이 무지부에 고정되는 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 집전판의 형상이 반타원형으로 이루어지는 이차 전지.
  12. 제1항 또는 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차 전지가 모터 구동용인 이차 전지.
  13. 제1항 또는 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차 전지가 각형으로 형성되는 이차 전지.
  14. 삭제
  15. 평면상으로 서로 나란하게 붙임으로써 피접합물과 접촉면을 형성하는 한 쌍의 집전부; 및,
    상기 집전부를 서로 연결하고 있으며, 이를 접음으로써 단자를 형성하는 리드부;
    를 구비하며 한 장의 금속으로 이루어지는 이차 전지의 집전판용 플레이트에 있어서,
    상기 한 쌍의 집전부 형상이 접촉물의 접촉면 형상을 균분(均分)하도록 형성되는 이차 전지의 집전판용 플레이트.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 집전부는 반타원형으로 이루어지는 집전판용 플레이트.
  17. 삭제
  18. 제15항에 있어서,
    상기 플레이트가 상기 리드부의 중심선을 두고 서로 대칭적인 모습으로 형성되는 이차 전지의 집전판용 플레이트.
  19. 피접합물과 접촉면을 형성하고, 피접합물의 접촉면 형상과 동일하게 형성되는 집전부; 및,
    상기 집전부의 측면으로 연장해서 형성되며, 단자를 이루는 리드부;
    를 구비하며, 한 장의 금속 플레이트로 형성되는 이차 전지의 집전판용 플레이트.
  20. 삭제
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