KR100659859B1 - 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차전지의 양극탭은 캡플레이트의 일 측에 용접되고 대략 ㄱ-자 형상을 갖도록 설치되므로, 스웰링에 의해 캡플레이트와 전지부 사이의 간격이 가까워져도 양극탭과 전지부 사이의 간섭이 일어날 위험이 최소화된다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}

도 1 은 종래에 전지부의 양극에서 인출된 양극탭이 캡플레이트에 용접되는 모습을 나타내는 사시도,

도 2 는 종래의 이차전지의 일 단면도,

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 분리 사시도,

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따라 전지부의 양극에서 인출된 양극탭이 캡플레이트에 용접되는 모습을 나타내는 사시도,

도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 일 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 전극조립체 12: 전지부

16': 양극탭 17': 음극탭

20: 캔 100: 캡조립체

110: 캡플레이트 120: 가스켓

130: 전극단자 140: 절연플레이트

150: 단자플레이트 190: 절연케이스

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스웰링시 전지부와 전극탭간의 간섭을 방지하기 위한 이차전지의 구조에 관한 것이다.

통상적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 리튬이차전지는 여러가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

이 중 각형 이차전지는 각형의 캔과, 이 캔 내부에 수용되는 전극조립체와, 캔에 결합되는 캡조립체를 포함하여 이루어진다.

전극조립체는 양극과 음극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취된 전지부와, 이 전지부의 양극 및 음극으로부터 인출되는 전극탭을 구비한다. 양극으로부터 인출되는 전극탭을 양극탭이라 하고, 음극으로부터 인출되는 전극탭을 음극탭이라 한다.

캡조립체는 캔의 상부에 결합되는 캡플레이트와, 단자통공을 통하여 설치되고 그 외면에 캡플레이트와의 절연을 위한 가스켓이 위치하는 전극단자와, 캡플레 이트의 아랫면에 설치되는 절연플레이트와, 이 절연플레이트의 아랫면에 설치되어 전극단자와 통전되는 단자플레이트를 포함하여 이루어진다.

전지부의 음극은 음극탭을 통해 전극단자와 전기적으로 연결되고, 양극은 양극탭을 통해 캡플레이트에 전기적으로 연결된다. 물론, 극성이 바뀌어 형성될 수도 있다.

도 1 은 종래에 전지부의 양극에서 인출된 양극탭이 캡플레이트에 용접되는 모습을 나타내는 사시도이고, 도 2 는 종래의 이차전지의 일 단면도이다.

도면을 참조하면, 전지부(12)의 양극(13)에서 인출된 양극탭(16)은, 양극(13)과 접촉하는 면과 동일한 면이 캡플레이트(110)에 접촉하도록 캡플레이트(110)의 일 측에 용접되어 있다.

전지부(12)를 캔(20)에 수납하고, 상기 캡플레이트(110)를 도 1 의 화살표 방향으로 90°구부린 후, 캡플레이트(110)를 캔(20)의 상부에 용접한 이차전지의 일 단면도가 도 2 에 도시되었다. 도 2 에서 도면부호 190은 캡조립체와 전지부(12) 사이에 위치하여 이 둘을 절연시키는 절연케이스(190)를 나타낸다.

그런데, 캡플레이트(110)의 일 측에 용접된 양극탭(16)은 도 2 에 나타낸 바와 같이 사형(蛇形) 또는 Z-자형으로 설치되게 되는데, 이는 다음과 같은 문제점이 있다.

코발트산리튬(LiCoO₂)과 같은 양극활물질의 형성을 위해 사용되는 탄산리튬(Li₂CO₃)은 미반응 상태로 양극활물질인 코발트산리튬(LiCoO₂) 중에 잔류하고 있다 가, 이상 충전에 의해 전지 전압이 높아져 발열하면 탄산리튬(Li₂CO₃)이 분해되어 탄산가스가 발생된다. 이러한 탄산가스의 발생에 의해 캔이 과도하게 부풀어 오르는 현상을 스웰링 현상이라 한다.

스웰링 현상은 전지 내부의 이상 발열로 인한 온도 상승을 수반하는데, 고온 현상으로 인해 캡조립체와 전지부(12) 사이에 위치하여 이 둘을 절연시키는 PP(polypropylene) 재질의 절연케이스(190)가 녹을 수 있다. 또한, 스웰링 현상에 의해 캡플레이트(110)와 전지부(12) 사이의 간격이 줄어들고, 이에 따라 사형의 양극탭(16)이 점점 눌려 결국 전지부(12)와 접촉하게 되어 단락이 일어날 위험이 있다.

한편, 전지 내부의 이상 발열로 인한 온도 상승에 의해 PE(polyethylene) 재질의 세퍼레이터가 수축될 수 있고, 이와 함께 스웰링 현상에 의해 사형의 양극탭(16)이 점점 눌려 절연케이스(190)를 누르고, 이 절연케이스(190)가 다시 전지부(12)의 상부를 가압하면, 전지부(12)의 양극과 음극 사이에 단락이 일어날 위험도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스웰링시 전지부와 전극탭간의 간섭을 방지하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이차전지는,

서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전지부와 상기 전지부의 각 전극으로부터 인출된 전극탭들을 구비하는 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전극탭들 중 상기 캡플레이트의 일 측에 용접된 전극탭은 대략 ㄱ-자 형상을 갖도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 전지부의 한 전극에서 인출된 상기 전극탭은, 상기 전극과의 접촉 면의 반대쪽 면이 상기 캡플레이트에 접촉하도록 상기 캡플레이트의 일 측에 용접될 수 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이차전지에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 분리 사시도이다.

도면을 참조하면, 이차전지는 전극조립체(10)와, 이 전극조립체(10)를 수용하는 캔(20)과, 이 캔(20)과 결합되는 캡 조립체(100)를 포함한다.

전극조립체(10)는 전지부(12)와 전극탭(16', 17')을 포함한다. 전지부(12)는 통상 전기용량을 높이기 위해 양극(13) 및 음극(15)을 넓은 판형으로 형성한 뒤, 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(14)를 양극(13)과 음극(15) 사이에 개재하여 적층하고, 와형으로 권취하여 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 만든다. 음극(15) 및 양극(13)은 각각 구리 및 알미늄 포일로 이루어진 집전체 각각에 음극 활 물질인 탄소와 양극 활물질인 코발트산 리튬 등을 코팅시켜 형성할 수 있다. 세퍼레이터(14)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어져 있다. 세퍼레이터(14)는 양극(13) 및 음극(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판 간의 단락을 방지하는 데 유리하다. 전지부(12)에는 각 전극과 연결된 양극 및 음극탭(16', 17')이 인출되어 있다. 상기 양극 및 음극탭(16', 17')에는 상기 전지부(12)의 외부로 인출되는 경계부에 극판(13, 15) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다.

캔(20)은 도시된 바와 같은 각형 이차전지에서 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다. 따라서 캔 자체가 단자역할을 수행하는 것도 가능하다. 캔을 이루는 재질로는 경량의 전도성 금속인 알미늄 또는 알미늄 합금이 바람직하다. 캔(20)은 전극조립체(10)와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체(10)가 투입되도록 개방된 상부는 캡 조립체(100)에 의해 봉해진다.

캡조립체(100)는 캡플레이트(110)와, 전극단자(130)와, 절연플레이트(140)와, 단자플레이트(150)를 포함하여 이루어진다. 캡플레이트(110)에는 단자통공(111)이 형성되어 있는데, 전극단자(130)가 그 외면에 캡플레이트(110)와의 절연을 위하여 가스켓(120)을 위치시킨 채 단자통공(111)을 관통하여 설치된다. 캡플레이트(110)의 아랫면에는 절연플레이트(140)가 설치되어 있고, 이 절연플레이트(140)의 아랫면에는 단자플레이트(150)가 설치되어 있다. 이 단자플레이트(150)에는 전극단자(130)의 하단부가 결합되어 있다.

전지부(12)의 음극(15)은 음극탭(17')과 단자플레이트(150)를 통하여 전극단자(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 전지부(12)의 양극(13)의 경우에는 양극탭(16')이 캡플레이트(110)의 일 측에 용접되어 있다. 한편, 극성을 달리하여 전지를 설계할 수도 있을 것이다.

단자플레이트(150)의 하부에는 절연케이스(190)가 더 설치될 수도 있다. 이 절연케이스(190)는 캡조립체(100)와 전지부(12)간의 단락을 방지하는 역할을 하며, PP(polypropylene) 재질로 이루어진다.

캡플레이트(110)의 타 측에는 캔(20)의 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해액주입공(112)이 형성되어 있으며, 전해액 주입 후 상기 전해액주입공(112)을 밀폐시키는 밀봉부(160)가 형성된다.

양극탭(16')이 캡플레이트(110)에 용접되는 모습에 관하여 보다 상세하게는 다음과 같다.

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따라 전지부의 양극에서 인출된 양극탭이 캡플레이트에 용접되는 모습을 나타내는 사시도이고, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 일 단면도이다.

도 4 및 도 5 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 양극탭(16')은 캡플레이트(110)의 일 측에 용접되는데, 대략 ㄱ-자 형상을 갖도록 설치된다.

이를 위해, 도 4 에 나타낸 바와 같이, 전지부(12)의 양극(13)에서 인출된 양극탭(16')은, 양극(13)과의 접촉 면의 반대쪽 면이 캡플레이트(110)에 접촉하도 록 캡플레이트(110)의 일 측에 용접되어 있다.

전지부(12)를 캔(20)에 수납하고, 상기 캡플레이트(110)를 도 4 의 화살표 방향으로 90°구부린 후, 캡플레이트(110)를 캔(20)의 상부에 용접하면, 도 5 에 나타낸 바와 같이 양극탭(16')은 대략 ㄱ-자 형상을 갖도록 설치된다.

따라서, 스웰링에 의해 캡조립체와 전지부(12) 사이의 간격이 가까워져도, 종래 사형의 양극탭과 달리, 양극탭(16')과 전지부(12) 사이에 간섭이 일어날 위험이 최소화될 수 있다.

한편, 음극탭(17')은 캡플레이트의 중앙에 위치하는 전극단자의 하단부에 용접될 수도 있다. 또는, 음극탭(17')은 중앙부가 아닌 단자플레이트의 일 측에 용접될 수도 있는데, 이때 음극탭(17')은 양극탭(16')의 경우와 마찬가지로 대략 ㄱ-자 형상을 갖도록 설치되는 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 양극탭을 예로써 설명하였지만, 전지의 극성이 반대로 설계된 경우에는 음극탭에 본 발명의 내용이 적용될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 이차전지의 양극탭은 캡플레이트의 일 측에 용접되고 대략 ㄱ-자 형상을 갖도록 설치되므로, 스웰링에 의해 캡조립체와 전지부 사이의 간격이 가까워져도 양극탭과 전지부 사이의 간섭이 일어날 위험이 최소화된다.

본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (5)

1. 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전지부와 상기 전지부의 각 전극으로부터 인출된 전극탭들을 구비하는 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서,

   상기 전극탭들 중 상기 캡플레이트의 일 측에 용접된 전극탭은 대략 ㄱ-자 형상을 갖도록 설치되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전지부의 한 전극에서 인출된 상기 전극탭은, 상기 전극과의 접촉 면의 반대쪽 면이 상기 캡플레이트에 접촉하도록 상기 캡플레이트의 일 측에 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 캡조립체는, 중앙부에 단자통공이 형성된 캡플레이트와, 외면에 절연을 위한 가스켓을 위치시킨 채 상기 단자통공을 통하여 설치되는 전극단자를 포함하며, 상기 전극탭들 중 하나는 중앙에 위치하는 상기 전극단자의 하단부에 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 캡조립체는, 중앙부에 단자통공이 형성된 캡플레이트와, 외면에 절연을 위한 가스켓을 위치시킨 채 상기 단자통공을 통하여 설치되는 전극단자와, 상기 전극단자의 하단부와 결합되는 단자플레이트와, 상기 캡플레이트와 상기 단자플레이트 사이에 위치하여 이 둘을 절연시키는 절연플레이트를 포함하며,

   상기 전극탭들 중 상기 단자플레이트의 일 측에 용접된 전극탭은 대략 ㄱ-자 형상을 갖도록 설치되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 캡조립체와 상기 전지부 사이에 위치하여 이 둘을 절연시키는 절연케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.

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