KR100649205B1 - 이차 전지와 이의 캡 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전해액 주입구를 개선해서 전해액 누수를 방지한 이차 전지에 관한 것으로 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극군을 케이스 내부에 설치하고 있는 이차 전지에 있어서, 상기 케이스의 일측에서 돌출 형성되고 전해액 주입구를 가지는 돌출부와, 상기 돌출부에 결합되어 상기 전해액 주입구를 막는 마개를 구비해서 구성된다.

이차 전지, 마개, 돌출부, 전해액, 누수

Description

이차 전지와 이의 캡 조립체{SECONDARY BATTERY AND CAP ASSEMBLY}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 이차 전지의 전체 모습을 보여주는 사시도이다.

도 2는 도 1을 I-I' 선을 따라 절개해서 보여주는 개략적인 단면도이다.

도 3은 도 2 중 'A' 부분을 확대해서 보여주는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마개의 모습을 보여주는 사시도이다.

도 5는 또 다른 형태에 따라 전해액 주입구에 마개가 설치된 상태를 도시한 개략적인 단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전해액 누수를 방지하는 캡 조립체 및 이를 이용한 이차 전지에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대용 전화기나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리 드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 격리판을 사이에 두고 양극판과 음극판을 배치하고, 이를 권취해서 형성한 전극군을 케이스에 설치하고, 이로부터 형성되는 전극 단자를 구비하는 형태로 이루어진다.

한편, 상기 양, 음극판에는 전지 작용시 이온 전도의 매체 역할을 하는 전해액이 함침되는데, 이를 위해서 케이스에는 전해액 주입용 홀을 구비하고 있다. 그리고, 이 홀을 통한 전해액 주입이 끝난 후에는 이 전해액 주입용 홀을 마개와 같은 것으로 막고, 이를 용접해서 밀봉하게 된다.

그런데, 전해액을 주입하는 과정에서 전해액 주입용 홀이 오염이 되거나, 홀 주변으로 전해액이 묻게 되면, 이로 인해서 마개와 홀 사이의 용접이 제대로 이루어지지 않아 밀봉이 제대로 되지 않는다. 이에 따라, 이 홀 주변으로 전해액이 누수되는 문제가 발생한다.

이 같은 문제는 HEV(hybrid Electric Vehicle)용과 같은 모터 구동을 위한 고출력 대용량 이차 전지의 경우 더욱 심각한데, 이러한 용접 불량의 전지 셀들이 모여 하나의 전지 팩을 구성하는 경우 각 전지 셀로부터 전해액이 누수되어 전지 팩을 오염시키거나, 산성의 전해액으로 인해서 주변을 산화시키는 문제 등이 부각되게 된다. 또한, 각 전지마다 전해액의 차이가 발생해 저마다의 출력 상태가 불안하여 결국 고출력 전기 에너지를 필요로 하는 기기에 적용되기가 어렵다.

이에, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 이차 전지의 전해액 주입 구조를 개선해서 전해액을 쉽게 주입하도록 하면서도 그 주변의 밀폐성을 높인 본 발명의 이차 전지를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 이차 전지는,

양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극군을 케이스 내부에 설치하고 있는 이차 전지에 있어서, 상기 케이스의 일측에서 돌출 형성되고 전해액 주입구를 가지는 돌출부와, 상기 돌출부에 결합되어 상기 전해액 주입구를 막는 마개를 구비한다.

본 발명에서, 상기 전해액 주입구는 상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 전극 단자가 구비된 캡 플레이트에 형성될 수 있다.

그리고, 본 발명에서 상기 주입구는 상기 주입구가 단차 가공되는 것이 바람직하며, 상기 마개가 상기 단차면에 안착된 상태에서 상기 돌출부에 용접으로 고정된다.

본 발명에서, 상기 마개는 돌출부의 상면보다 더 높게 상기 주입구에 결합된 상태에서 용접으로 고정되거나, 돌출부의 상면과 동일한 높이로 상기 주입구에 위치한 상태에서 용접으로 고정된다.

본 발명에서, 상기 돌출부는 상기 캡 플레이트와 일체로 형성되거나, 부가 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 이차 전지용 캡 조립체는,

돌출 형성된 주입구가 구비된 캡 플레이트, 상기 캡 플레이트에 설치되고, 전극군과 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극단자 및, 상기 주입구에 결합되어 전해액 누수를 방지하는 마개;를 포함해서 구성된다.

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 전기 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 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 이 명세서에 첨부되고, 실시예를 통해서 설명되는 이차 전지는 도 1에서 보여지는 각형 이차 전지를 대상으로 하나, 본 발명이 이에 한정되고자 함은 아니다. 따라서, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 각형으로 형성된 이차 전지를 보여주는 사시도이고, 도 2는 이의 개략적인 단면도이고, 도 3은 도 2의 'A' 부분을 확대해서 보여주는 도면이다.

이 도면들을 참조하면, 본 실시예의 이차 전지는 양극판(11)과 음극판(12)이 격리판(13)을 사이에 두고 위치하는 전극군(10)과, 상기 전극군(10)이 내장되는 공간이 마련되어 있는 케이스(14), 상기 케이스(14)의 개구부에 설치되어 케이스를 밀폐하는 캡 조립체(30), 상기 양, 음극판과 탭(15)을 매개로 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체(30) 밖으로 돌출되는 양, 음극단자(31,32), 상기 캡 조립체(30)에 설치되어 케이스(14) 내부로 전해액을 주입하는 전해액 주입구(41a)가 구비된 돌출부(41)와, 이 홀을 밀폐하는 마개(43)를 포함해서 구성된다.

상기 케이스(14)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(10)이 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.

본 실시예에서, 전극군(10)은 각각의 활물질이 집전체에 코팅되어 구성된 양극판(11)과 음극판(12)이 격리판(13)을 사이에 두고 배치된 상태에서 이들이 와류상으로 감겨 형성된 젤리롤 타입으로 이루어지며, 양극판의 무지부(11a)와 음극판의 무지부(12a)가 전극군(10)의 양단에 대향 배치되어, 케이스(14)를 수직으로 세워 캡 조립체(30)가 상, 하방향으로 놓여졌을 때를 기준으로 케이스(14)의 양 측면에 전극군(10)의 무지부(11a, 12a)가 위치할 수 있도록 내장 설치되며, 전극군(10)의 양단의 무지부(11a,12a)에 각각 설치되는 탭(15)(또는 집전판)을 매개로 캡 조립체의 양, 음극단자(31,32)가 전기적으로 연결된다.

그리고, 캡 조립체(30)는 상기 케이스(14) 상단에 기밀을 유지한 상태로 결합되는 캡 플레이트(33)와, 이 캡 플레이트(33) 양쪽에 설치되고 각각 탭(15)을 매 개로 전극군의 무지부(11a, 12a)와 전기적으로 연결되는 양, 음극단자(31, 32)를 포함하며, 상기 캡 플레이트(33)에 돌출부(41)가 설치된 구조로 되어 있다.

본 실시예의 돌출부(41)는 상기 캡 플레이트(33)에 단차 가공되어 케이스 외부를 향하는 단차면(41a)을 갖는 전해액 주입구(41a)를 형성하고 있으며, 상기 주입구(41a)는 마개(43)에 의해서 밀폐되는 구조로 이루어진다. 즉, 마개(43)가 상기 돌출부(41)의 단차면(41b)에 놓여져 주입구(41a)의 기밀을 유지시킨 상태로 결합된다.

한편, 돌출부(41)는 캡 플레이트(33)로부터 일체로 돌출 형성되는 것이 바람직한데, 이렇게 돌출부(41)를 형성함으로써 전해액 주입 과정에서 전해액이 케이스 내부에서 튀어 주입구(41a)를 오염시키는 것을 미연에 방지할 수가 있다.

그리고, 이 돌출부(41)의 주입구(41a) 내부 벽면으로 단차져 캡 플레이트(33) 밖을 향하도록 형성된 단차면(41b)은 각진 모습으로 형성시킴이 바람직하며, 상기 단차면(41b)에 결합되는 마개(43) 또한, 단차면(41b)의 크기에 대응되는 크기 및 단차면을 갖는 모습으로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 마개(43)를 도 3을 가지고 상술하면 다음과 같다. 도 4는 돌출부의 주입구(41a)에 결합되는 마개의 모습을 보여주는 사시도이다.

본 실시예의 마개(43)는 상기 돌출부(41)의 주입구 단차면(41b)에 안착되면서, 상기 주입구(41a)의 내부로 끼워지는 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라서, 마개(43)는 단차면(41b)에 결합되는 판 모양의 결합부(431)와 상기 결합부(431)에서 주입구(41a) 내부로 연장 결합되는 연장부(433)로 이루어진다.

이처럼 형성되는 마개(43)는 연장부(433)가 주입구(41a)의 내부로 끼워진 상태로 단차면(41b)에 결합되므로, 그 밀폐성을 높일 수가 있다. 이때, 상기 마개(43)의 결합부(431)는 돌출부(41)의 상면(41c)과 단차진 상태로 결합되도록 위치할 수도 있는데(도 5참조), 이 경우에 있어서 돌출부(41)의 주입구(41a) 방향 상면(41c) 모서리가 실질적으로 제2의 단차로 작용해서 마개(43)와 주입구(41a)를 더욱 견고히 밀폐시키게 된다.

한편 도 1 내지 도 3에서 도시된 바처럼, 마개(41)는 결합부(431)가 돌출부(41)이 상면(41c)과 동일한 높이로 형성될 수도 있는데, 이 경우에 있어서는 돌출부(41)의 상면(41c)과 마개(43)의 결합부(431)가 동일한 높이에서 서로 접하게 됨으로, 이 둘 사이의 접합면을 따라 레이저 용접하기가 쉽다는 장점이 있다.

본 발명에서, 이처럼 형성되는 돌출부(41)와 마개(43)의 구조와 두께 등 크기에 대해서는 특별히 한정되지 않으며, 이차 전지의 용량이나 형상에 따라 다양하게 변형될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 형성되는 이차 전지의 제작 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 종래와 동일한 방법으로 전극 단자를 캡 조립체(30)에 고정을 하고, 전극군(10)의 양단에 설치된 무지부(11a, 12a)에 전극 단자를 전기적으로 연결한 후에 케이스(14)에 수납하게 된다.

이 상태에서, 캡 조립체(30)를 케이스(14)의 개구부에 맞추어 결합한 다음에, 케이스(14) 및 캡 조립체(30)가 서로 만나 이루는 접면을 따라 레이저 용접하 는 것으로 캡 조립체(30)를 케이스(14)에 고정하는 한편, 케이스(14)를 밀봉하게 된다.

그리고, 상기 캡 조립체(30)에 상술한 바처럼 구성된 돌출부(41)의 주입구(41a)를 통해서 전해액을 케이스(14) 내부로 주입하는 것으로 전극군을 함침시킨다. 전해액 주입을 끝낸 다음에는 이 전해액 주입구(41a)에 마개(43)를 끼움 결합한 상태에서 돌출부(41)와 마개(43)가 서로 만나는 지점을 따라 레이져 용접하는 것으로 전해액 주입구(41a)를 밀봉한다.

이 같이 구성된 본 실시예의 이차 전지는 케이스 밖으로 돌출된 전극 단자(31, 32)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.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

본 발명에 따르면, 상술한 문제점을 해결해서 전해액 주입구가 전해액으로부 터 오염되는 것을 방지할 수가 있다. 이에 따라, 전해액 주입구의 밀폐성을 높여 전해액이 케이스 밖으로 누수되는 것을 방지할 수가 있다.

Claims (17)

1. 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극군을 케이스 내부에 설치하고 있는 이차 전지에 있어서,

   상기 케이스의 일측에서 돌출 형성되며 단차 가공되어 내부에 각진 모양의 단차면을 갖는 전해액 주입구를 가지는 돌출부와, 상기 돌출부에 결합되어 상기 전해액 주입구를 막는 마개를 구비하고,

   상기 마개는 상기 전해액 주입구의 단차면에 안착되는 판 모양의 결합부와 상기 결합부에서 주입구 내부로 연장 결합되는 연장부를 갖고,

   상기 마개는 상기 결합부의 상면이 상기 돌출부의 상면과 동일한 높이로 상기 주입구에 위치한 상태에서 용접으로 고정되는 이차 전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전해액 주입구가 상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 전극 단자가 구비된 캡 플레이트에 형성되는 이차 전지.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제2항에 있어서,

   상기 돌출부가 상기 캡 플레이트와 일체로 형성되는 이차 전지.
8. 제2항에 있어서,

   상기 돌출부가 상기 캡 플레이트에 부가 설치되는 이차 전지.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 이차 전지가 각형으로 이루어진 이차 전지.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 이차 전지가 모터 구동용인 이차 전지.
11. 돌출 형성되며 내면이 단차 가공되어 내부에 각진 모양의 단차면이 형성된 주입구를 갖는 돌출부가 구비된 캡 플레이트;

    상기 캡 플레이트에 설치되고, 전극군과 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극단자; 및,

    상기 주입구에 결합되어 전해액 누수를 방지하는 마개;

    를 포함하고

    상기 마개는 상기 주입구의 단차면에 안착되는 판 모양의 결합부와 상기 결합부에서 상기 주입구 내부로 연장 결합되는 연장부를 갖고,

    상기 마개는 상면이 상기 돌출부의 상면과 동일한 높이로 상기 주입구에 위치한 상태에서 용접으로 고정되는 이차 전지용 캡 조립체.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 제11항에 있어서,

    상기 돌출부가 상기 캡 플레이트와 일체로 형성되는 이차 전지용 캡 조립체.
17. 제11항에 있어서,

    상기 둘출부가 상기 캡 플레이트에 부가 설치되는 이차 전지용 캡 조립체.

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