KR100670502B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 제1 전극, 제2 전극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 캔의 상단 개구부에 결합되는 캡플레이트를 포함하는 이차 전지에 있어서, 금속 플레이트 위에 도전성 접착제가 클래딩된 리드 플레이트가 상기 캔 또는 캡플레이트의 외면에 부착된다.

Description

이차 전지{Secondary battery}

도 1은 종래의 이차 전지를 도시한 측면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단면도.

도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 캔 12: 전극조립체

13: 제1 전극 14: 세퍼레이터

15: 제2 전극 16: 제1 전극탭

17: 제2 전극탭 18: 절연 테이프

20: 캡조립체 30: 전극단자

35: 개스킷 40: 캡플레이트

41: 단자통공 42: 전해액 주입구

43: 마개 44: 안전벤트

70: 절연 케이스 100, 200, 300: 리드 플레이트

100a, 200a, 200a: 리드 플레이트의 금속 플레이트

100b, 200b, 300b: 금속 플레이트에 클래딩된 도전성 접착제

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리드 플레이트의 용접 공정을 생략할 수 있어 안전성이 향상된 이차 전지에 관한 것이다.

일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량 당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 양극판, 음극판 및 그 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취시킨 전극 조립체를 금속제의 캔에 수납하고, 이 캔 내부에 전해액을 주입하여 밀봉하여 형성된다. 이렇게 캔에 밀봉된 이차전지는 통상 상부에 캔과 절연된 전극 단자를 구비하여, 이 전극 단자가 전지의 어느 한 극을 이루게 하고, 타극은 전지 캔 자체가 되도록 한다. 이때, 통상 상기 타극은 전지의 바닥면이 되도록 한다.

이차 전지에 대한 박형 경량화의 요구에 따라 상기 전지 캔은 냉연강판과 같은 철제로부터 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용한 알루미늄제 캔으로 바뀌었다. 상기 캔을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성하는 이유는 알루미늄이 철이나 기타 도전성 금속체에 비해 무게가 가벼워 전지의 경량화에 기여할 수 있고, 고 전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 전지 캔으로서의 사용특성이 우수하기 때문이다.

그런데 이러한 알루미늄계 캔을 구비한 전지의 어느 한 전극을 캔 상부의 전극 단자로 하고, 타 전극을 전지의 바닥면으로 할 경우, 전지의 초기 충방전시에 문제가 야기된다. 즉, 외장 팩에 패키징하기 이전의 전지 셀을 초기 충전할 때에 충전용 프로브(probe)가 하나는 전극 단자를, 다른 하나는 전지 캔의 외면을 지지하게 되는 데, 이때, 전지 캔의 알루미늄 재질이 프로브의 선단에 묻어나게 되고, 이로 인하여 전지 셀의 외장 불량뿐만 아니라 프로브가 정확한 전압 및 전류 측정을 하지 못하게 되어 과충전시키는 문제를 야기하게 된다.

한편, 상기와 같이 밀봉된 이차전지에는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자, 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호회로모듈(PCM: Protecting Circuit Module) 등의 전지 안전장치가 연결된 채 전지 팩에 수납되는 데, 이때, 이들 전지 안전장치들은 음극과 양극에 각각 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과충방전 등으로 전지의 전압이 급상승할 때에 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지한다.

이러한 전지 안전장치들은 리드에 의해 전지의 양극과 음극에 연결되는 데, 이 리드는 통상 리드로서의 소정의 경도와 도전성을 갖도록 하기 위하여 니켈 또는 니켈 합금이나, 니켈이 도금된 스테인레스강을 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 위해서 레이저 용접이 사용되나, 이러한 레이저 용접은 레이저 빔이 보호회로에 전도되어 그 신뢰성을 저하시키는 문제를 발생시킨다.

상기와 같은 문제들을 해결하기 위하여, 미국 특허 제 5,976,729호에는 알루미늄제 캔의 바닥면에 니켈로 이루어진 리드 플레이트(lead plate)를 미리 레이저 용접에 의해 접합시키고, 이 리드 플레이트에 리드를 용접하여 보호회로 등의 안전장치를 연결하는 전지가 개시되어 있다.

이를 도 1에 도시하였다. 도 1을 참조로 하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 전지 캔(1)의 바닥면에 니켈로 이루어진 리드 플레이트(2)가 전지의 조립 전에 미리 레이저 용접에 의해 접합되어 있는 상태에서 이 리드 플레이트(2)에 제 1 리드(4)가 저항용접 또는 초음파 용접된다. 이 제 1 리드(4)는 보호회로모듈(3)에 납땜에 의해 접합된다. 보호회로모듈(3)에는 단자(5)에 용접된 제 2 리드(6)가 더 접합되어 전지의 이상 작동시 전류를 차단하도록 한다. 상기 제 1 리드(4) 또는 제 2 리드(6)에는 도 1에 도시되지는 않았지만 이상 온도에서 전류를 차단하는 PTC소자가 더 연결되어 있을 수 있다.

그런데 이렇게 캔의 저면에 리드 플레이트를 레이저 용접하는 것은 캔의 두께가 매우 얇기 때문에 그 용접 강도를 정확히 조절하지 않으면 레이저 용접 부위에서 전해액이 누액되는 문제가 발생되며, 용접을 위해 별도의 공정을 거쳐야 하는 공정상의 번거로움도 있다. 더욱이, 레이저 용접은 용접을 위한 설비를 증대시켜 원가 상승을 초래할 뿐 아니라, 캔의 저면에 안전변이 구비되어 있을 경우에는 레이저 용접 중에 이 안전변에 열충격을 줄 수 있어 안전성의 신뢰도를 떨어뜨리게 된다. 또한, 니켈로 이루어진 리드 플레이트(2)를 캔의 저면에 용접한 상태에서 제 1 리드(4)를 이 리드 플레이트(2)에 용접하는데, 이러한 용접점들로 인하여 저항요소가 증대되어 IR 전압 감소가 발생하게 된다.

특히, 이차 전지의 박형화 및 경량화 추세에 따라 캔 및 리드 플레이트 등의 소재의 두께가 얇아지고 있어, 이차 전지에 리드 플레이트 용접 시 용접강도 저하 및 누액불량 등의 위험성이 증가하여 전지의 안전성에 악영향을 미치고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 도전성 접착제가 클래딩된 리드 플레이트를 이차 전지에 부착함으로써 리드 플레이트의 용접 공정을 생략하여 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제1 전극, 제2 전극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 상단 개구부에 결합되는 캡 플레이트를 포함하는 이차전지에 있어서, 금속 플레이트의 표면에 도전성 접착제가 클래딩된 리드 플레이트가 상기 캔 또는 캡 플레이트의 외면에 부착되며, 상기 도전성 접착제는 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 변성 우레탄계 수지, 실리콘계 수지 중에서 선택되는 합성수지 바인더에 은, 동, 니켈, 카본 중에서 선택된 1종 또는 이들을 2종 이상 혼합한 도전성의 필러가 분산되게 혼합하여 형성된 이차전지를 제공한다.

상기 리드 플레이트는 상기 캔 또는 캡플레이트의 외면과 접촉되는 부분에 돌기가 형성될 수 있다. 상기 돌기는 리드 플레이트의 금속 플레이트를 엠보싱하여 형성될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 이차 전지는 캔(10)과, 상기 캔(10)의 내부에 수용되는 전극조립체(12)와, 상기 캔(10)의 상부에 결합되는 캡조립체(20)를 포함하여 형성된다.

상기 캔(10)은 상부가 개방된 대략 각형의 금속재로 형성되며, 바람직하게는 가볍고 연성이 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 스테인레스강 등으로 형성되나 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다. 상기 캔(10)은 그 자체가 단자 역할을 수행하는 것이 가능하다.

상기 전극조립체(12)는 제1 전극(13)과 제2 전극(15)과 세퍼레이터(14)를 포함한다. 상기 제1 전극(13)과 제2 전극(15)은 세퍼레이터(14)를 개재하여 적층된 후 젤리롤(jelly-roll) 형태로 권취될 수 있다. 상기 제1 전극(13)에는 제1 전극탭(16)이, 상기 제2 전극(15)에는 제2 전극탭(17)이 레이저용접, 초음파용접, 저항용접과 같은 용접이나 도전성 접착제에 의하여 통전가능하도록 부착되어 있으며, 각각 상방향으로 인출되어 있다.

상기 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 서로 극성을 달리하며, 양극 또는 음극으로 사용할 수 있다. 상기 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 전극 집전체와 상기 전극 집전체의 적어도 일면에 도포되는 전극 활물질, 즉 양극 활물질 또는 음극 활 물질을 포함한다.

상기 제1 전극(13) 또는 제2 전극(15)이 양극으로 사용되는 경우, 전극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다. 상기 제1 전극(13) 또는 제2 전극(15)이 음극으로 사용되는 경우, 전극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.

상기 양극 활물질로는 통상적으로 리튬함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물을 모두 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 LiCoO₂, LiNiO₂, LiMnO₂, LiMn₂O₄, 또는 LiNi_1-x-yCo_xM_yO₂(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다.

상기 세퍼레이터(14)는 상기 제1 전극(13) 및 제2 전극(15) 사이의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하는 것으로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 공지된 것을 사용할 수 있다.

상기 캔(10)의 상부에 결합되는 캡조립체(20)는 캡플레이트(40)와 절연플레이트(50)와 터미널플레이트(60)와 전극단자(30)를 포함하여 구성된다. 상기 캡플레이트(40)는 상기 캔(10)의 상단개구부와 대응되는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 상기 캡플레이트(40)의 중앙에는 소정 크기의 단자통공(41)이 형성되며, 일측에는 전해액주입구(42)가 형성되고, 다른 측에는 안전벤트(44)가 형성된다. 상기 안전벤트(44)의 위치는 임의로 설정할 수 있으며 상기 단자통공(41)과 전해액주입구(42)에 간섭되지 않는 위치라면 어느 곳에라도 형성할 수 있다. 또한, 캡플레이트(40)가 아닌 캔(10)의 소정 위치에 형성할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 안전벤트(44)는 캡플레이트(40)의 단면 두께를 얇게 하여 일체로 형성되어 있다. 상기 전해액주입구(42)은 전해액 주입 후 마개(43)와 결합되어 밀폐된다.

상기 단자통공(41)에는 전극단자(30)가 삽입되며, 상기 전극단자(30)의 외면에는 상기 캡플레이트(40)와의 전기적 절연을 위한 튜브 형상의 가스켓(46)이 설치되어 있다. 상기 캡플레이트(40)의 아랫면에는 절연플레이트(50)가 설치되어 있으며, 상기 절연플레이트(50)의 아랫면에는 터미널플레이트(60)가 배치되어 있다. 상기 전극단자(30)의 저면부는 상기 절연플레이트(50)를 개재시킨 상태에서 상기 터미널플레이트(60)와 전기적으로 연결되어 있다.

상기 캡플레이트(40)의 아랫면에는 상기 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17) 중 어느 하나, 예를 들면 제1 전극탭(16)이 용접되어 있다. 상기 터미널플레이트(60)에는 상기 제2 전극탭(17)이 용접됨으로써 상기 전극단자(30)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17)은 니켈 금속으로 이루어져 있다.

상기 전극조립체(12)의 상부에는 상기 전극조립체(12)와 캡조립체(20)를 전기적으로 절연시켜 주며, 상기 전극조립체(12)와 제1 전극탭(16)과 제2 전극탭(17)의 위치를 고정시키는 절연 케이스(70)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(270)는 제2 전극탭 인출구(73)를 구비하고 있으며, 절연성 고분자 수지로, 예를 들면 폴리프로필렌(polypropylene: PP)으로 이루어진다.

본 발명의 리드 플레이트(100)는 금속 플레이트(100a)와 상기 금속 플레이트(100a) 위에 클래딩(cladding)된 도전성 접착제(100b)로 이루어진다. 상기 도전성 접착제층(100b)에 의하여 상기 리드 플레이트(100)가 캔(10)의 하부에 통전가능하게 부착될 수 있다. 따라서 종래의 리드 플레이트의 용접 공정을 생략할 수 있게 되어, 용접 시 발생하는 용접강도 저하 및 누액불량의 위험성이 없어진다. 또한, 이차 전지의 어느 부분이든 원하는 곳에 도전성 접착제가 클래딩된 리드 플레이트를 적당한 크기로 절단하여 용이하게 부착할 수 있으므로, 캔(10)의 하부뿐만 아니라 그 측면, 캡플레이트(40)에도 부착할 수 있게 된다.

상기 금속 플레이트(100a)의 재질은 리드 플레이트(100)에 용접되는 리드(미도시)와 용접이 용이한 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들면 니켈 또는 니켈합금이 사용될 수 있으며, 여기에 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 리드 플레이트에 용접된 리드는 보호회로 등의 안전장치에 연결된다.

상기 금속 플레이트(100a) 위에 클래딩된 도전성 접착제(100b)는 도전성 필 러(filler)와 합성 수지 바인더를 포함하여 이루어진다. 도전성 필러로는 도전성이 우수한 은, 동, 니켈, 카본 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 합성 수지 바인더로는 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 변성 우레탄계 수지, 실리콘계 수지 등이 사용될 수 있다. 도전성 접착제는 합성 수지 바인더에 도전성 필러를 균일하게 혼합분산시켜 제조되며, 사용되는 합성 수지 바인더에 따라 상온경화형, 상온건조형, 열경화형, UV경화형 접착제로 나뉠 수 있다. 상기 도전성 접착제는 필요에 따라 경화제 및 작업성 향상을 위한 희석제, 접착강도를 향상시키는 보강제, 도전성 필러의 분산을 돕는 분산제 등의 각종 첨가제를 더 포함할 수 있다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 단면도이다.

도 3a 및 3b를 참조하면, 리드 플레이트(200, 300)는 캔(10)의 하부와 접촉되는 부분에 돌기가 형성된 금속 플레이트(200a, 300a)와 상기 금속 플레이트(200a, 300a) 위에 클래딩된 도전성 접착제(200b, 300b)로 이루어진다. 상기 돌기는 그 단면이 원형 또는 타원형 또는 다각형 형상으로 이루어질 수 있으며, 금속 플레이트(200a, 300a)를 엠보싱하여 형성될 수 있다. 상기 돌기에는 도전성 접착제가 클래딩되지 않을 수 있으며, 이런 경우 돌기가 형성된 리드 플레이트(200, 300)를 캔(10)의 하부에 부착하면 돌기 부분이 직접 캔(10)의 하부와 접촉하게 된다. 이와 같이 리드 플레이트(200, 300)에 형성된 돌기가 리드 플레이트가 부착되는 캔(10)과 직접 접촉함으로써 리드 플레이트(200, 300)와 캔(10)간의 도전성이 증가될 수 있다. 돌기의 크기, 개수 및 간격은 도전성 접착제의 클래딩 공정, 리드 플레이 트의 부착 위치, 리드와의 용접성 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.

본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명은 도전성 접착제가 클래딩된 리드 플레이트를 이차 전지에 부착함으로써 이차 전지의 하부나 상부에 리드 플레이트를 용접하는 공정을 생략할 수 있어 용접 시 발생하는 용접강도 저하 및 누액불량의 위험성이 제거된다. 또한, 리드 플레이트의 부착 위치에 제한이 없게 되어, 적당한 크기로 절단하여 이차 전지의 어느 부분이든 원하는 부분에 용이하게 부착할 수 있으므로 다양한 형상의 보호회로를 사용할 수 있으며 전지의 패키징 구조를 간소화할 수 있다.

Claims (9)

1. 제1 전극, 제2 전극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 상단 개구부에 결합되는 캡 플레이트를 포함하는 이차전지에 있어서,

   금속 플레이트의 표면에 도전성 접착제가 클래딩된 리드 플레이트가 상기 캔 또는 캡 플레이트의 외면에 부착되며, 상기 도전성 접착제는 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 변성 우레탄계 수지, 실리콘계 수지 중에서 선택되는 합성수지 바인더에 은, 동, 니켈, 카본 중에서 선택된 1종 또는 이들을 2종 이상 혼합한 도전성의 필러가 분산되게 혼합하여 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 플레이트는 상기 캔 또는 캡플레이트의 외면과 접촉되는 부분에 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 돌기에는 도전성 접착제가 클래딩되지 않는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 돌기는 원형 또는 타원형 또는 다각형 중 어느 하나의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 돌기는 금속 플레이트를 엠보싱하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 플레이트는 니켈 또는 니켈합금 플레이트로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.

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