KR100670434B1 - 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 순차적으로 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡플레이트를 포함하는 캡조립체; 및 상기 캡플레이트의 전해액 주입구를 밀폐시키며 외주면에 솔더재가 감싸여지는 마개;를 포함하며, 상기 솔더재는 상기 캡플레이트 및 상기 마개의 볼 보다 용융온도가 낮은 Pb-free-Sn 계열로 형성되어 전해액 주입구의 밀폐시 전해액 주입구가 형성된 캡플레이트와 금속 볼을 용해시키지 않고 캡플레이트와 금속 볼의 접합계면에서 솔더재에 의해 접합시키도록 함으로써 전해액 주입구의 밀폐성을 현저하게 향상시키는 효과가 있다.

캡플레이트, 전해액 주입구, 마개, 솔더재

Description

이차전지 {Secondary battery}

도 1은 종래 기술에 의한 이차전지의 상부측 단면도.

도 2a 및 2b는 종래 기술에 의한 이차전지의 전해액 주입구의 밀봉 전과 후의 상태 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 분해사시도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마개의 단면도.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마개가 전해액 주입구를 밀폐한 상태의 모식도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

30 ; 이차전지 31 ; 캔

32 ; 전극조립체 40 ; 캡조립체

41 ; 캡플레이트 43 ; 전해액 주입구

50 ; 마개 51 ; 볼

52 ; 솔더재

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캡플레이트에 형성되는 전해액 주입구의 밀폐성을 향상시킨 이차전지에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-수소전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와 고분자전해질 전지로 분류되며, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 또한, 리튬이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형, 그리고 파우치형이 있다.

도 1에는 종래의 각형 이차전지(10)가 도시되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 이차전지(10)는 캔(11)과, 상기 캔(11)의 내부에 수용되는 전극조립체(12)와, 상기 캔(11)에 결합되는 캡조립체(20)를 포함하여 구성된다.

상기 전극조립체(12)는 양극판(13), 세퍼레이터(14), 음극판(15) 순으로 권취되어 있으며, 상기 양극판(13) 및 음극판(15)으로부터는 양극탭(16) 및 음극탭(17)이 각각 인출되어 있다.

상기 캡조립체(20)는 상기 캔(11)의 상부에 결합되는 캡플레이트(21)와, 상기 캡플레이트(21)에 가스켓(22)을 매개로 하여 절연되는 음극단자(23)와, 상기 캡플레이트(21)의 하부면에 설치되는 절연플레이트(24)와, 상기 절연플레이트(24)의 하부면에 설치되어 상기 음극단자(23)와 통전되는 단자플레이트(25)를 구비한다.

상기 양극탭(16)은 캡플레이트(21)와 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 음극탭(17)은 단자플레이트(25)를 통하여 음극단자(23)와 전기적으로 연결되어 있다.

또한, 상기 캡플레이트(21)에는 캔(11) 내부로 전해액이 주입되는 통로를 제공하는 전해액 주입구(26)가 형성되어 있고, 상기 전해액 주입구(26)에는 밀폐부재인 볼(27)이 결합되어 있다.

도 2a에는 도 1의 전해액 주입구가 밀폐되기 이전의 상태가 도시되고, 도 2b에는 도 2a의 전해액 주입구가 밀폐된 이후의 상태가 도시되어 있다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 캡플레이트(21)에는 전해액 주입구(26)가 형성되어 있다. 상기 전해액 주입구(26)가 형성된 캡플레이트(21)의 상부면에는 그 주위를 따라 테이퍼부(28)가 형성되어 있다. 상기 테이퍼부(28)에는 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입구(26)를 밀폐시키기 위하여 통상 알루미늄 재질의 볼(27)이 위치되고 있다.

상기 볼(27)은 그 상부로부터 프레스(1)와 같은 가압수단으로 상기 전해액 주입구(26)에 압착된다. 상기 전해액 주입구(26)에 대하여 볼(27)이 압착되면, 상기 볼(27)이 캡플레이트(21)에 압착되는 경계부분을 따라 레이저 용접을 통하여 용접부(29)를 형성하여 전해액 주입구(26)를 밀폐시키게 된다.

그런데, 종래의 전해액 주입구(26)의 밀폐구조는 상기 캡플레이트(21)의 상면으로부터 전해액 주입구(26)를 확장시킨 테이퍼부(28)가 형성되어 있어 상기 볼(27)을 테이프부(28)에 안착시킨 상태에서 전해액 주입구(26)에 대하여 압착하게 되는데, 압착후 볼(27)의 위치가 확보될 수 없는 한편, 볼(27)의 상부면이 정확하게 원형을 이룰 수 없어 캡플레이트(21)와의 경계부를 따라서 용접부(29)가 제대로 형성되지 않을 수 있다.

이에 따라 전지(10)의 내부에 주입된 전해액이 상기 전해액 주입구(26)를 따라서 화살표로 표시한 바와 같이 외부로 누수되는 현상이 발생되거나, 누수 전해액으로 인하여 용접시 스파크가 발생되어 그을음 같은 찌꺼기가 경계면에 발생되고 이로 인해 볼과 전해액 주입구의 내주면 사이에 핀 홀(pin-hole)이 형성되어 전해액 주입구(26)에 대한 밀폐성을 보장하지 못하는 문제가 있다.

따라서 용접 후에 밀폐성을 강화하기 위하여 별도로 UV 경화제(미도시)를 도포하기 때문에 제조비용이 상승되고 제조공정이 복잡해지는 등의 문제가 있다.

이와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 전해액 주입구에 안착되는 마개의 용접시 전해액 주입구와 볼 사이에서 발생되는 핀 홀을 방지하여 전해액의 누설을 차단하도록 함으로써 전해액 주입구의 밀폐성을 향상시키도록 한 이차전지를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이차전지는 양극판, 세퍼레이 터, 음극판이 순차적으로 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡플레이트를 포함하는 캡조립체; 및 상기 캡플레이트의 전해액 주입구를 밀폐시키며 외주면에 솔더재가 감싸여지는 마개;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 솔더재는 상기 캡플레이트 및 상기 마개의 볼 보다 용융온도가 낮은 Pb-free-Sn 계열인 것이 바람직하다.

또한, 상기 마개는 볼 또는 핀 타입중 어느 하나의 형상으로 형성되고, 상기 마개는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 스틸 중 선택되는 재질로 제조된다.

그리고, 상기 마개는 상기 전해액 주입구에 삽입된 상태에서 용접되거나, 상기 전해액 주입구에 압입된 상태에서 용접된다.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(30)는 캔(31)과, 상기 캔(31)의 내부에 수용되는 전극조립체(32)와, 상기 캔(31)의 개방된 상단부를 복개하는 캡조립체(40)를 포함하여 구성된다.

상기 캔(31)은 상단부가 개방된 사각통체로서 재질은 금속이고, 그 자체가 전극단자의 역할을 수행할 수 있다.

상기 캔(31)의 내부에 수용되는 전극조립체(32)는 양극판(33)과, 세퍼레이터(34)와, 음극판(35) 순서로 배치되어, 젤리롤형(jelly-roll type)으로 권취되어 있다.

통상적으로 리튬 이차전지의 경우에 상기 양극판(33)은 박판의 알루미늄으로 된 양극집전체와, 그 양면에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 슬러리가 코팅되어 있으며, 상기 음극판(35)은 박판의 구리로 된 음극집전체와, 그 양면에 탄소재를 주성분으로 하는 슬러리가 코팅되어 있는 구성을 가진다.

상기 양극판(33) 및 음극판(35)으로 부터는 전극조립체(32)의 상부로 일부가 돌출되는 양극탭(37) 및 음극탭(36)이 각각 인출되어 있다. 상기 양극탭(37) 및 음극탭(36)은 용접에 의해 양극집전체 및 음극집전체에 고정될 수 있다.

한편, 상기 양극탭(37) 및 음극탭(36)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있다. 상기 양극탭(37) 및 음극탭(36)이 양극판(33) 및 음극판(35)의 외부로 돌출되는 부분에서는 극판(33)(35)간의 단락을 방지하기 위하여 절연테이프(38)가 감싸여질 수 있다.

상기 캔(31)의 개방된 상단부에는 캡조립체(40)가 설치되는데, 이러한 캡조립체(40)의 구성은 캡플레이트(41)와, 상기 캡플레이트(41)의 하면에 면접되게 설치된 절연플레이트(46)와, 상기 절연플레이트(46)의 하면에 면접되게 설치된 단자플레이트(47)로 이루어진다.

상기 캡플레이트(41)는 중앙에 단자 통공(42)이 형성되어 있고, 상기 단자 통공(42)에는 상기 캔(31)의 내부로 관통되는 음극단자(45)가 설치된다. 상기 음극단자(45)의 외부면에는 가스켓(44)이 설치되어 상기 음극단자(45)와 상기 캡플레이트(41)를 절연시키게 된다. 상기 단자플레이트(47)에는 상기 음극단자(45)가 결합된다.

또한, 상기 캡조립체(40)와 전극조립체(32) 사이에는 절연케이스(48)가 더 설치될 수 있다.

상기 양극탭(37)은 용접 등에 의해 상기 캡플레이트(41)와 직접적으로 고정되며, 상기 음극탭(36)은 상기 단자플레이트(47)를 통하여 음극단자(45)와 용접 등에 의해 고정됨으로써 전기적으로 연결된다. 이와는 반대로, 상기 전극의 극성을 달리하여 전지(30)가 설계될 수도 있을 것이다.

또한, 상기 캡조립체(40)의 구성은 전술한 바에 한정되지는 않는다.

상기 캡플레이트(41)의 일측에는 상기 캔(31) 내부로 전해액의 주입이 가능한 전해액 주입구(43)가 형성되어 있고, 상기 전해액 주입구(43)는 마개(50)로 밀폐된다.

상기 전해액 주입구(43)를 밀폐하기 위한 마개(50)는 볼(51)을 사용하며, 상기 볼(51)의 외주면에 솔더재(52)가 코팅된다.

상기 마개(50)는 상기 볼(51) 이외에도 도면에 도시하지는 않았으나 핀(pin) 타입을 이용할 수도 있다.

상기 볼(51)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 주로 사용되며, 스테인레스강을 사용할 수도 있다.

상기 솔더재(52)는 납이 포함되지 않는 주석(Pb-free-Sn) 계열의 저융점 솔더재를 사용한다.

이와 같이 형성되는 마개(50)에 의하여 전해액 주입구(43)가 밀폐된 상태의 작용을 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.

도 5는 마개를 전해액 주입구에 삽입한 상태에서 열을 가하여 주는 경우이고, 도 6은 마개를 전해액 주입구에 압입시킨 후에 열을 가하여 주는 실시예이다.

도 5에서와 같이, 캡플레이트(41)에 형성된 전해액 주입구(43)에 마개(50)를 삽입한 상태에서 레이저, 플라즈마 니들아크, 저항열원 등의 열원에 의해 고열로 가열하게 되면 캡플레이트(41)와 마개(50)의 볼(51)은 거의 용융되지 않고, 볼(51)의 외주면에 코팅된 솔더재(52)가 전해액 주입구(43)의 입구측에 용융되어 마개(50)를 전해액 주입구(43)에 접합시키게 된다.

이때, 용융된 솔더재(52)는 모세관 현상에 의해 전해액 주입구(43)와 볼(51)의 경계면에 빨려 들어감으로써 전해액 주입구(43)가 완전히 밀폐된 상태가 된다. 그리고, 솔더재(52)의 용융에 의해 볼(51)이 접합된 상태이기 때문에 가열시 용접부위에서 전해액의 역류로 인한 핀 홀이 발생되지 않게 된다.

도 6은 별도의 기구를 이용하여 마개(50)를 전해액 주입구(43)에 압입하여 압착시킨 후에 가열을 실시하는 방식이다.

이와 같이 마개(50)를 전해액 주입구(43)에 압입시킨 상태에서는 마개(50)가 보다 안정적으로 전해액 주입구(43)에 고정된 상태에서 작업이 이루어진다. 이때에도 열원에 의하여 고열로 가열시 캡플레이트(41)와 마개(50)의 볼(51)은 거의 용융되지 않고, 볼(51)의 외주면에 코팅된 솔더재(52)가 전해액 주입구(43)의 입구측에 용융되어 마개(50)를 전해액 주입구(43)에 접합시키게 되며, 용융된 솔더재(52)는 모세관 현상에 의해 전해액 주입구(43)와 볼(51)의 경계면에 빨려들어가 전해액 주입구(43)가 밀폐되고, 마찬가지로 솔더재(52)의 용융에 의해 볼(51)이 접합된 상태 이기 때문에 핀 홀이 발생되지 않게 된다.

상기 솔더재(52)의 용융온도는 캡플레이트(41)와 볼(51)의 용융온도 보다 낮아 대략 450℃ 이하에서 용융된다. 그리고 상기 솔더재(52)는 용융 후에 신속하게 응고되어 마개(50)가 전해액 주입구(43)의 내주면에 밀착된 상태를 유지하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 이차전지는 전해액 주입구의 밀폐시 전해액 주입구가 형성된 캡플레이트와 금속 볼을 용해시키지 않고 캡플레이트와 금속 볼의 접합계면에서 솔더재에 의해 접합시키도록 함으로써 전해액 주입구의 밀폐성을 현저하게 향상시키는 효과가 있다.

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 (7)

1. 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 순차적으로 권취된 전극조립체;

   상기 전극조립체가 수용되는 캔;

   상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡플레이트를 포함하는 캡조립체; 및

   상기 캡플레이트의 전해액 주입구를 밀폐시키며 외주면에 솔더재가 감싸여지는 마개;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 솔더재는 상기 캡플레이트 및 상기 마개의 볼 보다 용융온도가 낮은 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 솔더재는 Pb-free-Sn 계열인 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 마개는 볼 또는 핀 타입중 어느 하나의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 마개는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 스틸 중 선택되는 재질로 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 마개는 상기 전해액 주입구에 삽입된 상태에서 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 마개는 상기 전해액 주입구에 압입된 상태에서 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지.

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