KR100659865B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지의 안전 장치와 캔의 연결구조를 개선하여 재료비를 저감하고 작업의 효율성을 높일 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 정극판, 부극판 및 상기 정극판과 부극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 갖는 전극 조립체, 상기 전극 조립체와 전해액을 수용하는 캔, 상기 캔의 개구부를 마감하는 캡 조립체를 구비하며,상기 캔의 측벽 외면에 용접되어 형성되는 도전 플레이트 및 상기 캔과 절연된 전극단자와 상기 도전 플레이트 사이의 도전경로 상에 연결되는 안전장치를 구비하여 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

이차 전지{Secondary Battery}

도 1은 안전장치로서 PTC 소자를 채용한 종래 이차 전지의 일례를 나타내는 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도이다.

도 3은 도 2의 이차 전지가 조립된 상태의 단면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 20: 캔 2: 바닥 플레이트

3, 60: 보호회로 기판 4, 72: 제 1 리드

5, 70: PTC(positive temperature coefficient)소자 6, 74: 제 2 리드

7, 33: 전극단자 8: 제 3 리드

10: 전극 조립체 11: 양극판

12: 세퍼레이터 13: 음극판

14: 양극탭 15: 음극탭

30: 캡 조립체 31: 캡 플레이트

32: 가스켓 34: 절연 플레이트

35: 단자 플레이트 36: 전해액 주입공

37: 마개 50: 도전 플레이트

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지의 안전 장치와 캔의 연결구조를 개선한 이차 전지에 관한 것이다.

통상적으로 이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 대표적으로는 니켈 수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 정극판, 부극판 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 이 캔 내부에 전해액을 주입하여 밀봉함으로써 형성된다. 캔을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성하게 되면 알루미늄이 철이나 기타 전도성 금속제에 비해 무게가 가벼우므로 전지의 경량화에 기여할 수 있고, 고전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 전지 캔으로서의 사용 특성이 우수해질 수 있다. 이러한 이차 전지는 통상적으로 상부에 캔과 절연된 전극 단자를 구비하여, 이 전극 단자가 전지의 정극 또는 부극을 이루게 하고, 전지 캔 자체는 전극 단자가 정극인 경우에 부극을, 전극 단자가 부극인 경우에 정극을 이루도록 한다.

한편, 상기와 같이 밀봉된 이차 전지에는 PTC(positive temperature coefficient)소자, 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호 회로 모듈(PCM: Protecting Circuit Module)등의 전지 안전장치가 연결된 채 전지 팩에 수납되는데, 이때 이들 전지 안전장치들은 부극과 정극에 각각 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과충방전 등으로 전지의 전압이 급상승할 때에 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지한다.

이러한 전지 안전장치들은 리드에 의해 전지의 정극과 부극에 연결되는데, 이 리드는 통상 리드로서의 소정의 경도와 전도성을 갖도록 하기 위하여 니켈 또는니켈 합금이나, 니켈이 도금된 스텐레스강을 사용한다.

그런데, 이렇게 니켈로 이루어진 리드는 알루미늄으로 이루어진 캔과의 용접에 다소 문제가 발생될 수 있다. 즉, 니켈과 알루미늄은 니켈의 불용성으로 인하여 초음파 용접이 곤란하고, 알루미늄의 높은 도전성으로 인하여 저항용접이 곤란하다. 따라서, 니켈로 이루어진 리드를 알루미늄계 캔에 용접을 하기 위해서는 레이저 용접이 사용되나, 이러한 레이저 용접은 레이저 빔이 안전장치에 전기적인 쇼크를 줄 수 있어 그 신뢰성을 저하시키는 문제를 발생시킨다.

상기와 같은 문제들을 해결하기 위하여, 미국 특허 제 5,976,729호에는 알루미늄 캔의 바닥면에 니켈로 이루어진 바닥 플레이트(bottom plate)를 미리 레이저 용접에 의해 접합시키고, 이 바닥 플레이트에 리드를 용접하여 결합시켜 보호회로기판 등의 안전장치를 연결함으로써, 레이저빔이 안전장치들로 전도되는 것을 방지하는 전지가 개시되어 있다. 이는 도 1을 참조하여 나타낼 것이다.

도 1은 안전장치로서 PTC 소자를 채용한 종래 이차 전지의 일례를 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 이차 전지의 캔(1)의 바닥면에 니켈로 이루어진 바닥 플레이트(2)가 이차 전지의 조립 전에 미리 레이저 용접에 의해 접합 되어 있는 상태에서 이 바닥 플레이트(2)에 PTC 소자(5)의 제 1 리드(4)가 저항 용접 또는 초음파 용접된다. PTC 소자(5)의 제 2 리드(6)는 보호회로 기판(3)가 연결되기 위해, 보호회로 기판 (3)에 별도로 연결된 제 3 리드(8)와 용접된다. 그리고 보호회로 기판(3)에는 전극 단자(7)가 연결되어 전지의 이상 작동시 전류를 차단하도록 한다. 여기서, PTC 소자(5)는 전지의 이상 온도시 전류를 차단하는 기능을 한다.

그런데, 이러한 종래의 이차 전지에서 캔의 저면에 바닥 플레이트를 레이저 용접하는 것은 캔의 두께가 매우 얇기 때문에 그 용접 강도를 정확히 조절하지 않으면 캔이 손상되어 레이저 용접 부위에서 전해액이 누액되는 문제를 발생시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 캔의 저면에 안전벤트가 구비되어 있을 경우에는 레이저 용접 중에 이 안전벤트에 열 충격을 줄 수 있어 안전성의 신뢰도를 떨어뜨리게 된다.

그리고, 캔의 저면에 용접된 바닥 플레이트와 캔과 절연된 캔 상부의 전극 단자와 연결된 보호회로 사이에 PTC 소자를 연결하기 위해서는, 소자물질층을 중심으로 상부와 하부에 각각 접합되어 양측으로 연장되는 한 쌍의 리드를 구비하는 PTC 소자의 리드 각각에 캔 저면의 바닥 플레이트와 캔 상부의 보호회로 각각이 용접되어야 한다. 이때, 캔의 저면에 용접된 바닥 플레이트와 캔 상부에 위치하는 보호 회로간의 거리가 멀기 때문에 PTC 소자의 리드와 각각의 바닥 플레이트와 보호 회로 사이에 별도의 리드가 필요하게 된다. 이로 인해 이차 전지의 구조가 복잡해 지고 별도의 리드에 대한 재료비가 상승할 수 있다. 또한, 별도의 리드에 대한 용접이 추가되어 용접 개소가 증가하여 작업의 효율성이 떨어지고, 증가한 용접 개소로 인해 이차전지의 내부저항 또한 커질 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전지의 안전 장치와 캔의 연결구조를 개선하여 재료비를 저감하고 작업의 효율성을 높일 수 있는이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차 전지는 정극판, 부극판 및 상기 정극판과 부극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 갖는 전극 조립체, 상기 전극 조립체와 전해액을 수용하는 캔, 상기 캔의 개구부를 마감하는 캡 조립체를 구비하며, 상기 캔의 측벽 외면에 용접되는 형성되는 도전 플레이트 및 상기 캔과 절연된 전극단자와 상기 도전 플레이트 사이의 도전경로 상에 연결되는 안전장치를 구비하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 도전 플레이트는 니켈로 이루어져 상기 캔의 측벽 외면과 레이저 용접으로 결합될 수 있다.

상기 안전장치는 보호회로 기판과 PTC(positive temperature coefficient)소자를 포함할 수 있다.

상기 보호회로 기판은 상기 전극단자와 연결될 수 있다.

상기 PTC 소자의 한쪽 리드는 상기 보호회로 기판에 연결되고, 다른쪽 리드 는 상기 캔의 측벽 외면에 위치하는 도전 플레이트에 연결될 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2의 이차 전지가 조립된 상태의 단면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체(10), 전해액과 함께 전극 조립체를 수용하는 캔(20)과, 캔(20)의 상부에 결합되어 캔(20)의 개구부를 밀봉하는 캡 조립체(30)를 구비하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 캔(20) 상부의 전극단자(33)와 접속하는 보호기판(60), 캔(20)의 한쪽 측벽 외면에 부착된 도전 플레이트(50), 보호회로 기판(60)과 도전 플레이트(50) 사이에 위치하는 PTC(positive temperature coefficient)소자(70)를 더 구비한다.

전극 조립체(10)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 양극판(11), 세퍼레이터(12), 음극판(13)의 적층체를 권취하거나 겹쳐서 형성한다.

양극판(11)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 탭(14)이 전기적으로 연결되어 있다. 음극판(13)에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 탭(15)이 접속되어 있다.

양극판(11) 및 음극판(13)과, 탭들(14,15)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 탭들(14,15)이 전극 조립체(10)로부터 인출되는 경계부에는 탭과 두 전극판(11,13) 사이의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프가 각각 감겨질 수 있다.

세퍼레이터(12)는 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어져 있다. 세퍼레이터(12)는 양극판 및 음극판(11)(13)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판간의 단락을 방지하는데 유리하다.

캔(20)은 대략 직육면체의 형상을 가진 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로 형성된다. 캔(20)의 개방된 상단을 통해 전극 조립체(10)가 수용되어 캔(20)은 전극 조립체 및 전해액의 용기 역할을 하게 된다. 캔(20)은 그 자체가 단자역할을 수행할 수 있다. 그리고, 캔(20)의 하부에는 이차 전지 내부의 기체의 방출에 의해 생성된 내부압력을 해소하도록 안전구조물인 안전벤트(미도시)가 형성된다.

캡 조립체에는 캔(20)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(31)가 마련되어 있다. 캡 플레이트(31)의 중앙부에는 전극 단자(33)가 통과할 수 있도록 단자용 통공이 형성된다. 캡 플레이트(31)의 중앙부를 관통하는 전극 단자(33)와 캡 플레이트(31) 사이에는 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(32)이 설치된다.

캡 플레이트(31) 하면에 절연 플레이트(34)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(34)의 아랫면에는 단자 플레이트(35)가 설치되어 있다. 전극 단자(33)의 저면부는 단자 플레이트(35)와 전기적으로 연결되어 있다.

캡 플레이트(31) 하면에는 양극판(11)으로부터 인출된 양극 탭(14)이 용접되어 있으며, 전극 단자(33)의 하단부에는 음극판(13)으로부터 인출된 음극 탭(15)이 사행으로 접혀진 상태에서 용접된다.

한편, 전극 조립체(10)의 상면에는 전극 조립체(10)와 캡 조립체와의 전기적 절연을 위하고, 이와 동시에 상기 전극 조립체(10)의 상단부를 커버할 수 있도록 절연 케이스(미도시)가 설치된다. 절연 케이스는 절연성을 가지는 고분자 수지, 가령 폴리프로필렌으로 된 것이 바람직하다. 절연 케이스의 중앙부에는 음극 탭(15)이 통과할 수 있도록 음극탭용 홀이 형성되고, 다른 측방에는 전해액 통과공이 형성되어 있다. 전해액 통과공은 별도로 형성되지 않을 수 있다.

캡 플레이트(31)의 타측에는 전해액 주입공(36)이 형성되며, 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입공을 밀폐시키기 위하여 마개(37)가 설치된다. 마개(37)는 알루미늄이나 알루미늄 함유 금속으로 만든 볼형 모재를 전해액 주입공(36) 위에 놓고 기계적으로 전해액 주입공(36)으로 압입하여 형성한다. 밀봉을 위해 마개(37)는 전해액 주입공(36) 주변에서 캡 플레이트(31)에 용접된다. 캡 조립체(30)는 캡 플레이트(31) 주변부를 캔(20) 개구부 측벽에 용접하여 캔(20)에 결합된다.

상기와 같은 이차 전지에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 캔(20)의 한쪽 측벽 외면에 도전 플레이트(50)가 결합 되는데, 도전 플레이트(50)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 전지의 박형화 측면에서 폭이 넓은 장측벽보다 폭이 좁은 단측벽에 형성되는 것이 유리하다. 이렇게 캔(20)의 단측벽에 결합된 도전 플레이트(50)는 하기될 PTC(positive temperature coefficient)소자의 리드를 캔(20)에 직접적으로 용접하여 연결할 때 레이저 용접시 보호회로에 전기적인 쇼크를 주는 문제점을 해소하기 위한 것이다. 더욱 구체적으로 설명하면, 알루미늄 재질로 이루어진 캔(20)과 니켈 재질로 이루어진 PTC 소자(70)의 제 1 리드(72)는 서로 다른 재 질로 이루어 지기 때문에 연결시 레이저 용접이 필요하다. 그런데 레이저 용접시 레이저 빔이 보호회로에 전기적인 쇼크를 주기 때문에 미리 캔의 측벽 외면에 도전 플레이트(50)를 레이저 용접하여 결합한다. 여기서, 도전 플레이트(50)는 PTC소자(70)의 제 1 리드(72)와 같은 니켈 재질로 이루어져 저항용접 또는 초음파의 용접으로 PTC소자(70)의 제 1 리드(72)에 연결될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 이차 전지는 캔(20)에 도전 플레이트(50)를 구비하여 이루어지기 때문에 구비된 도전 플레이트(50)를 통해 캔(20)이 PTC소자(70)의 제 1 리드(72)에 간접적으로 연결된다. 이로써 캔(20)을 PTC소자(70)의 제 1 리드(72)에 직접적으로 연결시 이용되는 레이저 용접이 보호회로에 영향을 주는 문제점이 해소된다.

또한, 이 도전 플레이트(50)는 캔의 측벽 외면에 용접됨으로써 종래의 바닥 플레이트가 캔의 저면에 용접될때 캔(20)의 하부에 위치한 안전벤트에 손상을 줄 수 있는 위험을 방지할 수 있다.

캔(20)의 측벽 외부에 위치되어 도전 플레이트(50)에 결합 되는 PTC 소자(70)는 소자물질층을 중심으로 상부와 하부에 각각 접합되어 양측으로 연장되는 제 1 및 제 2 리드(72, 74)를 구비한다. PTC 소자(70)는 하기될 보호회로 기판(60)과 도전 플레이트(50)와 전기적으로 접속된다. 이러한 전기적 연결을 위해, PTC 소자(70)의 제 1 리드(72)는 캔(20)의 단측벽 외면에 위치하는 도전 플레이트(50)와 연결되고, PTC 소자(70)의 제 2 리드(74)는 캔(20) 상부에 위치하는 보호회로 기판(60)과 연결된다. 이러한 PTC 소자(70)는 이차전지가 고온이 될 때, 전류의 흐름을 끊는 역할을 한다.

보호회로 기판(60)은 캔(20)의 상부에 캔(20)과 절연된 전극단자(33)와 연결되고, 전극단자(33)과 연결된 보호회로 기판(60)과 캔(20)의 단측벽 외면에 부착된 도전 플레이트(50)의 도전경로 사이에는 PTC 소자(70)가 연결된다. 이러한 보호회로 기판(60)은 전극 조립체(10)의 충·방전 및 오작동을 제어하기 위한 것으로, 예를 들면, 전극 조립체(10)로부터 과전류가 흘렀을 때, 과전류를 차단하는 역할을 한다. 또한, 보호회로 기판(60)은 이차 전지의 충·방전을 위한 외부 입·출력 단자(미도시)를 구비하여 이차전지의 과충전, 과방전시 외부와의 전기적 흐름을 제어하는 역할을 한다. 이러한 역할을 하도록 보호회로 기판(60)은 IC칩, 충·방전 스위치 등이 회로화되어 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 캔의 측벽 외면에 도전 플레이트(50)를 구비하여, 도전 플레이트(50)와 캔의 상부에 위치한 보호회로의 도전경로 사이에 PTC 소자(70)를 가까운 거리로 연결할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 PTC소자의 리드(72,74) 각각과 캔의 측벽 외면에 위치한 도전 플레이트(50)와 캔(20)의 상부에 위치하는 보호회로 기판(60)과의 연결시 별도의 리드를 필요로 하지 않고 그에 따른 추가적인 용접 또한 필요로 하지 않는다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 캔의 측벽 외면에 도전 플레이트를 구비하여 캔의 측벽 외면의 도전 플레이트와 캔의 상부의 보호회로 기판과의 도전경로 사이에 PTC 소자를 연결시 가까운 거리로 연결할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 종래의 이차 전지에서 캔 저면의 바닥 플레이트와 캔 상부의 보호 회로기판과의 도전경로 사이에 PTC 소자를 연결시 먼 거리로 연결하여 별도로 추가되었던 리드를 생략할 수 있어 그에 대한 재료비를 저감할 수 있고 구조도 간단해 질 수 있다. 또한, 별도의 리드에 대한 용접 또한 필요치 않아 용접 개소가 줄어들어 작업의 효율성을 높일 수 있고, 용접으로 인한 내부저항도 줄일 수 있어 전지의 신뢰성을 높일 수 있다.

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

Claims (5)

1. 정극판, 부극판 및 상기 정극판과 부극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 갖는 전극 조립체, 상기 전극 조립체와 전해액을 수용하는 캔, 상기 캔의 개구부를 마감하는 캡 조립체를 구비하며,

   상기 캔의 측벽 외면에 용접되어 형성되는 도전 플레이트 및

   상기 캔과 절연된 전극단자와 상기 도전 플레이트 사이의 도전경로 상에 연결되는 안전장치를 구비하여 이루어짐을 특징으로 하는 이차 전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 도전 플레이트는 니켈로 이루어져 상기 캔의 측벽 외면과 레이저 용접으로 결합됨을 특징으로 하는 이차 전지.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 안전장치는 보호회로 기판과 PTC(positive temperature coefficient)소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 보호회로 기판은 상기 전극단자와 연결됨을 특징으로 하는 이차 전지.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 PTC 소자의 한쪽 리드는 상기 보호회로 기판에 연결되고, 다른쪽 리드는 상기 캔의 측벽 외면에 위치하는 도전 플레이트에 연결됨을 특징으로 하는 이차 전지.

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