KR100646541B1 - 캔형 이차 전지 - Google Patents

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KR100646541B1
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조성재
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Abstract

두 전극과 이들 전극의 단락을 방지하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체, 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 캔, 전극 조립체가 투입구가 되는 캔 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 구비하여 이루어지며, 개구부측 일정 구간에서 개구부 둘레를 따라가면서 적어도 일부에서 캔 측벽 두께가 다른 부분에서의 캔 측벽 두께보다 더 크게 형성됨을 특징으로 하는 캔형 이차 전지가 개시된다.
따라서, 캔의 개구부를 이루는 상단과 캡 어셈블리의 캡 플레이트 주연부 사이의 용접 용이성과 용접 신뢰성을 높이고 전지의 안전성을 높일 수 있다.

Description

캔형 이차 전지 {Can type secondary battery}
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 이차 전지의 상부를 나타내는 부분 단면도이다.
도2에는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 이차 전지의 부분 측단면도,
도3a는 종래에 베어 셀 사이에 스페이서를 개재시켜 형성한 팩전지의 내부 배열을 개략적으로 나타내는 측면도,
도3b은 본 발명의 이차전지를 이용하여 형성한 팩전지의 내부 배열을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11: 캔 12: 전극 조립체
13: 양극 14: 세퍼레이터
15: 음극 16,17 탭
18: 절연 테이프 110: 캡 플레이트
111: 용접부 112: 전해액 주입구
113: 후측벽 120: 가스켓
130: 전극 단자 140: 절연 플레이트
150: 단자 플레이트 190:절연 케이스
191: 리드 통공 192: 전해액 통과공
160: 마개 210: 스페이서
본 발명은 캔형 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 조립체의 용기가 되는 캔과 캡 어셈블리의 용접을 용이하게 하도록 하는 캔형 이차 전지에 관한 것이다.
캔형 이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능하다는 이점으로 인하여 근래에 그 개발이 급속히 이루어지고, 사용도 급속히 증가하고 있다. 캔형 이차 전지는 형태에 따라 각형과 통형 전지로 나뉠 수 있고, 전극 활물질에 따라 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬이온(Li-ion) 전지 등으로 나뉠 수 있다.
고체 전해질을 사용하는 리튬 이차 전지에서는 전해액의 누액 문제가 없을 것이나 액상의 전해질을 사용하는 캔형 이차 전지의 경우 누액을 방지하는 것은 화학전지 일반의 경우와 같이 중요한 문제가 되고 있다. 리튬 이온 전지가 전원으로 사용되는 휴대용 전화기, 컴퓨터, 개인 정보 단말기, 캠코더 등이 고가 정밀기기임을 감안할 때 누액 방지의 문제는 더욱 중요해 진다.
또한, 리튬 이차 전지에서 활물질에 포함되는 리튬 성분의 강한 활성으로 인하여 전해액을 사용할 경우 비수성 전해액을 사용하여야 한다. 이들 전해액은 가연성 물질이 대부분으로 누액이 생길 경우, 화재 등의 안전성 문제가 있고, 또한, 누 액이 발생하는 곳으로 공기나 수분이 유입되면 전극 조립체의 리튬 성분과 반응하여 과열, 스웰링 등에 의한 전지 파괴, 누액된 전해액과의 작용에 의한 화재 발생 등의 문제를 일으킬 수 있다.
통상, 캔형 이차 전지에서 누액이 흐르기 쉬운 곳, 혹은 외부와의 밀폐가 깨어지기 쉬운 곳으로는 앞서 본 캔(11)과 캡 조립체의 캡 플레이트(110) 사이의 용접부 및 마개(160)와 캡 플레이트(110)의 용접이 이루어지는 전해액 주입구(112) 부분을 들 수 있다. 따라서, 이들 부분에서의 용접은 캔형 이차 전지의 제조에 있어 중요한 관건을 이루게 된다.
용접에서는 용접이 일정 이상의 기계적 강도를 가져야 하고, 용접부위를 통해 누액이 없어야 한다는 신뢰성과, 용접에 소요되는 비용과 시간을 최소화해야 한다는 경제성 혹은 능률성이 동시에 문제가 된다. 용접의 능률성에 영향을 미치는 요소로는 용접 방식, 용접 장비와 용접 대상물 재질, 용접에 요구되는 정확성, 신뢰성 등이 있다. 이들과 함께 용접 대상물의 형태와 용접 위치도 용접의 능률성에 관련된 중요한 요소가 된다.
한편, 전지의 소형 고용량화를 위해 모든 전지 부품에 대해 고유 기능을 확보할 수 있는 한도 내에서 크기, 질량을 줄이는 것이 요구되고 있다. 캔 형 전지에서 고용량을 확보하기 위해 전극 활물질은 캔 내부에 일정량 이상 수용되어야 하는 반면, 캔의 크기 및 질량은 그에 비례해 늘지 않아야 한다는 과제를 동시에 만족시키는 방법으로 캔의 두께 감소가 지속적으로 이루어지고 있다. 캔의 두께는 0.2mm 이하로 감소되어 가고 있는 상태이며, 더 얇으면서도 안전성에 문제가 없는 캔 형 성이 계속적 과제가 된다.
그러나 캔 두께의 감소는 필연적으로 캔과 캡 플레이트 사이의 용접 가능한 부위의 감소를 가져온다. 그리고, 공정 중에 캔의 개구부는 다른 부품이나 기기와의 접촉에 따라 쉽게 구부러지고 변형될 수 있다. 변형된 상태에서 용접이 이루어질 경우 용접이 제대로 되지 않을 위험이 있다. 따라서 캔의 두께 감소와 함께 누액 및 안전 사고의 문제가 없도록 이들 부품 사이에 용접의 용이성과 신뢰성을 확보하는 것이 점차 큰 문제가 되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 캔의 개구부를 이루는 상단과 캡 어셈블리의 캡 플레이트 주연부 사이의 용접 용이성과 용접 신뢰성을 높일 수 있는 캔형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 캔의 개구부를 이루는 상단과 캡 어셈블리의 캡 플레이트 주연부 사이의 용접성을 향상시켜, 전해액의 누출이나, 외부 습기, 공기의 유입을 막을 수 있는 캔형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 캔형 이차 전지는,
양극, 음극, 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체, 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 캔, 전극 조립체가 투입구가 되는 캔 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 구비하여 이루어지며, 개구부측 일정 구간에서 개구부 둘레를 따라가면서 적어도 일부에서 캔 측벽 두께가 다른 부분에서의 캔 측벽 두께보다 더 크게 형성됨을 특 징으로 한다.
본 발명의 캔형 이차 전지에서 캔 측벽의 두께가 보다 두꺼운 부분은 용접이 이루어지는 개구부측 끝단의 1mm 정도의 매우 짧은 구간만일 수도 있으나, 개구부측 끝단, 즉, 개구부가 위로 가도록 캔을 세웠을 때 개구부의 상단에서 캔에 인입된 전극 조립체의 전극 상단에 해당하는 구간 위쪽에 있는 지점까지로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 측벽의 두께가 두꺼운 부분에서도 개구부 끝단은 용접 방식에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 가령, 개구부 끝단 내측으로 캡 플레이트를 수용하기 위한 단차가 형성될 수 있고, 끝단이 내측으로 가면서 처지는 경사면을 형성할 수도 있다. 단차를 형성하는 것도 캔 측벽 개구부측을 두껍게 형성함으로써 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
본 발명에서 캔 측벽의 두께가 보다 두꺼운 곳은 직육면체형 캔에서 가장 넓은 면의 개구부측 일정 구간일 수 있다.
캔의 측벽이 두껍게 형성되는 개구부측에서 다른 부분에 비해 융기된 부분은 캔의 내측을 향하거나 캔의 외측을 향하여 융기되는 것일 수 있다.
본 발명에서 캔형 이차 전지의 상대적으로 두꺼운 측벽 부분에서의 두께는 현재 사용되고 있는 캔형 이차 전지의 전체적인 두께에 해당되는 0.2mm 정도로 하는 것이 바람직하고, 측벽 얇은 부분과의 두께 차이가 얇은 부분 두께의 10% 이상 되도록 하며, 50% 이하로 형성하는 것이 바람직하다.
캔형 이차 전지는 원통형과 각형이 있을 수 있으나, 본 발명은 각형 전지에서 보다 높은 효과를 가질 수 있다. 각형 캔의 경우, 측벽과 측벽 사이의 모서리 부분이 각지게 구성되기 보다는 곡부를 형성하도록 이루어지는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 각형 이차 전지의 상부를 나타내는 부분 단면도이다.
도1을 참조하여 설명하면, 캔(11)은 각형 리튬 이온 전지에서 대략 직육면체에서 위쪽이 개방된 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 따라서 캔 자체가 단자역할을 수행하는 것도 가능하다. 캔은 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성할 수 있다.
캔의 개구부측 일정 구간의 두꺼운 측벽(113)은 두께가 다른 측벽 부분(114)과 달리 더 두껍게 형성된다. 개구부측 일정 구간에서 개구부 둘레를 따라가면서 적어도 일부에서 캔 측벽 두께가 다른 부분에서의 캔 측벽 두께보다 더 크게 형성될 수 있다. 바람직하게는 개구부를 둘러가면서 전체를 일정 폭만큼 두껍게 형성하지만, 각형 캔의 측벽 가운데 좁은 면의 두께가 넓은 면의 두께보다 크게 형성된다면 넓은 면에서만 개구부측으로 두께를 더 두껍게 형성할 수 있다.
이런 두께차는 캔 형성을 위한 드로잉 과정에서 이루어질 수 있다. 혹은, 냉간, 열간 압연의 형태로 이루어질 수 있다. 가령, 일단 고른 두께로 캔을 형성한 뒤 개구부측 일정 구간을 제외하고 다른 측벽 부분(114)을 롤러 사이에 끼우고 롤러에 압력을 가하며 롤러를 캔을 측벽을 따라 주회시키는 방법으로 이루어질 수도 있다.
본 실시예에서는 측벽의 두께가 두꺼운 후측벽(113)이 개구부 끝단에서 젤리 롤 형태의 전극 조립체(12)의 상단까지 이루어진다. 개구부의 측벽이 두꺼운 부분으로 인하여 젤리롤의 삽입에 큰 문제가 되는 것은 아니다. 젤리롤은 캔의 정위치에 삽입된 후 전해액이 주입되고 작용을 하게되면 약간의 부피 증가가 있게 된다. 그러나, 본 실시예와 같이 캔 측벽의 두께가 두꺼운 구간이 제한될 경우, 캔에 내장되는 젤리롤에는 영향이 없게 된다. 즉, 캔의 측벽이 두꺼워짐으로 인하여 전극 조립체가 내장되는 공간이 좁아지는 문제점을 방지할 수 있고, 전지 용량의 실질적 손실 없이 용접의 편의성만을 높일 수 있게 된다.
캔을 이루는 재질로는 스테인레스강 등의 철재도 사용되나 경량의 전도성 금속이면서 부식에 대처가 용이한 알미늄 또는 알미늄 합금이 바람직하다. 특히, 본 발명에서 캔의 개구부측 측벽 두께를 두껍게 하는 가공을 위해서는 알미늄 같이 연성, 전성이 우수한 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
캔(11)은 양극(13), 세퍼레이터(14), 음극(15)으로 이루어진 전극 조립체(12)와 전해액의 용기가 된다. 전극 조립체가 캔의 개방된 상단, 즉, 개구부를 통해 캔에 삽입된 뒤 캔의 개구부는 캡 조립체에 의해 봉해진다.
캡 조립체에는 캔(11)의 개구부에 대응되는 크기와 형상을 가져 개구부를 마감할 수 있는 평판형의 캡 플레이트(110)가 구비된다. 캡 플레이트(110)는 캔(11)과의 결합을 위한 용접성 향상을 위해 캔(11)과 동일한 알미늄이나 알미늄 합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 캡 플레이트(110)의 중앙부에는 전극 단자가 통과할 수 있도록 단자용 통공이 형성된다.
캡 플레이트(110)의 중앙부를 관통하는 전극 단자(130) 외측에는 전극 단자 (130)와 캡 플레이트(110)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치되어 있다. 캡 플레이트(110) 중앙부, 단자용 통공 근방에는 캡 플레이트 하면에 절연 플레이트(140)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(140)의 아랫면에는 단자 플레이트(150)가 설치되어 있다.
단자 플레이트(150)에는 전극 조립체(12)의 한 전극에서 인출되는 탭(16)이 용접 등의 방법으로 접속된다. 캡 플레이트(110)에는 다른 전극에서 인출되는 탭(17)이 접속된다.
캔의 개구부를 통해 전극 조립체 및 다른 부속들이 캔에 내장되고, 탭 용접이 끝나면 캡 플레이트가 개구부에 끼워지거나 기타 다른 방법으로 정위치에 놓여지고, 이런 상태에서 경계부를 지향하면서 레이저 빔 조사를 통해 레이저 용접을 실시한다. 레이저 용접시 경계부는 부분 용융되면서 용접부(111)를 형성한다. 레이저 빔 용접은 라인 용접 형태로 레이저 빔의 출력에 따라 초당 10 내지 20 mm 정도의 라인 용접 속도를 가질 수 있다.
이후, 전지를 형성하기 위해 전해액 주입구(112)를 통해 전해액을 주입하고, 전해액 주입구(112)를 알미늄을 압입, 용접하여 마개(160)를 만들어 봉하여 베어 셀을 형성한다. 베어 셀에는 리드 플레이트, 보호회로 등의 연결되고, 그 결과물은 케이스에 담겨 하드 팩 상태의 이차 전지가 형성된다. 하드 팩 상태의 이차 전지는 화성공정을 거치면서 충방전을 일정 횟수 거듭하여 적정 특성을 가지는 이차 전지로 완성된다.
도2에는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 이차 전지의 상부(캡 조립체측)이 도시되어 있다.
도2에 따르면, 도1과 달리 캔의 다른 측벽 부분(114)보다 두껍게 형성되는 후측벽(113) 부분이 측벽 전체에서 볼 때 캔(11) 바깥쪽으로 융기된다. 복수의 단위 전지가 팩 내에 결합되어 하나의 이차 전지 팩을 형성하는 경우, 팩 내에서 단위 전지 사이에는 발열 등의 문제로 인접한 전지와 전지 사이에 도3a와 같이 스페이서(210)를 개재시키는 경우가 있다. 도2와 같은 전지에서 캔을 형성할 때 개구부측 뿐만 아니라 아래쪽에도 캔(11)의 두께를 두껍게 형성할 경우, 도3b와 같이 단위 전지 자체의 형상만으로도 단위 전지들 사이의 대부분에서 측벽을 일정 거리 이격시키는 효과를 가질 수 있다.
한편, 측벽이 두껍게 형성되는 후측벽(113) 구간은 도1의 예와 달리 캔에 내장되는 전극 조립체를 고려하여 결정될 필요가 없다. 가령, 측벽이 두껍게 형성되는 개구부측 후측벽(113) 구간은 용접이 이루어지는 개구부측 끝단에 있는 1mm 정도의 매우 짧은 구간만일 수도 있다.
측벽의 두께가 두꺼운 후측벽(113) 부분에서도 개구부 끝단은 용접 방식에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 가령, 개구부 끝단 내측으로 캡 플레이트를 수용하기 위한 단차가 형성될 수 있고, 단차부에 캡 플레이트 외부가 수용되어 위쪽에서 캡 플레이트와 캔의 경계를 따라 용접을 실시할 수 있다. 이런 실시예에서 단차를 형성하는 것도 캔 측벽 개구부측을 두껍게 형성함으로써 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 또한, 개구부 끝단이 내측으로 가면서 처지는 경사면을 형성하고, 캡 플레이트의 주연부도 이에 대응되는 테이퍼면으로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 캔형 이차 전지의 상대적으로 얇은 부분의 측벽 두께만을 가령 0.15mm 정도로 줄인다고 할 때, 두꺼운 측벽 부분에서의 두께는 현재 사용되고 있는 캔형 이차 전지의 전체적인 두께에 해당되는 0.18mm 내지 0.2mm 정도로 하면 용접 설비의 사양을 바꿀 필요가 없을 것이다. 본 발명에서 캔 측벽의 두꺼운 부분과 얇은 부분 사이의 두께 차이는 캔 측벽의 두께를 얼마까지 얇게 할 수 있는가와 용접 설비로 능률적으로 용접을 실시하는데 필요한 소재 두께가 어느 정도인가에 의해 현실적 결정된다. 단, 용접성에 영향을 미칠 수 있는 의미있는 차이를 두기 위해 측벽 얇은 부분과 두꺼운 부분 사이의 두께 차이는 측벽 얇은 부분 두께의 10% 이상 되도록 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20% 이상 되도록 한다. 단, 50% 이상 두꺼워지는 것은 캔의 필요 용적을 늘리게 되므로 두께 차이는 50% 이하가 되도록 하는 것이 적당하다.
캔형 이차 전지는 원통형과 각형이 있을 수 있으나, 원형은 기하학적 완전성으로 인하여 외부 압력에 의한 변형에 저항하는 힘이 강하다. 본 발명은 각형 전지에서 보다 높은 효과를 가질 수 있다. 각형 캔의 경우, 측벽과 측벽 사이의 모서리 부분이 각지게 구성되기 보다는 곡부를 형성하도록 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 캔의 개구부를 이루는 상단과 캡 어셈블리의 캡 플레이트 주연부 사이의 용접 용이성과 용접 신뢰성을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 실시 형태에 따라, 동일한 외형 크기 및 전지 용량을 유지하면서도 캔과 캡 플레이트 사이의 용접성을 높일 수 있다.
또한, 공정 중의 캔의 개구부 변형을 억제하여 캡과 캡 플레이트 주연부 사이의 상대적 위치를 정확히 하여 용접부위의 정확성을 높이고, 전해액의 누출이나, 외부 습기, 공기의 유입을 막을 수 있다.

Claims (13)

  1. 두 전극과 상기 두 전극의 단락을 방지하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 캔, 상기 전극 조립체의 투입구가 되는 캔 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 구비하여 이루어지며; 상기 개구부 측 일정 구간에서 상기 개구부 둘레를 따라가면서 적어도 일부에서 상기 캔 측벽 두께가 캔 측벽의 다른 부분에서의 두께보다 더 크게 형성되되, 상기 캔형 이차 전지의 캔은 전체적으로 직육면체 형태를 이루는 각형으로 이루어지며, 상기 각형 캔형 이차 전지의 상대적으로 두꺼운 측벽 부분에서의 두께는 상기 다른 부분과의 두께 차이가 상기 다른 부분 두께의 20% 이상 50% 이하가 되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔 측벽의 두께가 보다 두꺼운 부분이 상기 개구부의 끝단에서 상기 캔에 내장되는 상기 전극 조립체의 전극 상단보다 높은 지점에 이르는 구간까지 형성되는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구부의 개구부 끝단은 내측으로 상기 캡 플레이트를 수용할 수 있도록 단차가 형성됨을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구부의 개구부 끝단은 내측으로 하방 경사가 형성됨을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔 측벽의 두께가 보다 두꺼운 부분은 캡 어셈블리의 장변과 평행한 두 변을 상단으로 하는 두 측벽에만 형성되고,
    상기 캔의 측벽은 상기 캡 어셈블리의 단변을 상단으로 하는 측벽에서 상기 캡 어셈블리의 장변을 상단으로 하는 측벽에서보다 전체적으로 더 두껍게 형성됨을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔의 측벽이 보다 두껍게 형성되는 부분 가운데 상기 다른 부분에 비해 융기된 부분은 상기 캔의 내측을 향하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 캔 측벽의 두께가 보다 두꺼운 부분이 상기 개구부의 끝단에서 상기 캔에 내장되는 상기 전극 조립체의 전극 상단보다 높은 지점에 이르는 구간까지 형성되는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔의 측벽이 보다 두껍게 형성되는 부분 가운데 상기 다른 부분에 비해 융기된 부분은 상기 캔의 외측을 향하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 측벽을 이루는 각 면 사이의 모서리 부분은 곡면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 측벽 부분에서의 두께는 0.15mm이고, 상기 개구부의 측벽 부분의 두께는 0.20mm인 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
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