KR100709871B1 - 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 이차전지의 캡조립체는 단자통공이 형성된 캡플레이트와, 단자통공을 통하여 설치되고 그 외면에 캡플레이트와의 절연을 위한 가스켓이 위치하는 전극단자와, 캡플레이트 아래에 위치하며 전극단자의 하단부와 결합되는 단자플레이트와, 캡플레이트와 단자플레이트 사이에 위치하여 캡플레이트와 단자플레이트 사이를 절연하는 절연플레이트를 구비하며, 상기 캡플레이트의 하면, 또는 상기 캡플레이트의 하면과 상기 절연플레이트 각각에 상기 캡플레이트의 하면과 상기 절연플레이트 간의 상보적 결합이 이루어지도록 하는 결합부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 절연플레이트와 캡플레이트간의 구조적인 결합에 의해 전극단자를 끼울 때 절연플레이트가 전극단자와 함께 회전되지 않도록 함으로써 캡플레이트와 단자플레이트간의 단락을 방지할 수 있고, 아울러 절연플레이트가 벤트의 일부를 덮도록 형성되는 경우 벤트에 가해지는 충격을 흡수하여 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분리 사시도,
도 2 는 도 1 에 나타낸 이차전지의 캡조립체의 단면도와 평면도,
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 캡조립체의 단면도와 평면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 이차전지 11: 캔
12: 전극조립체 100: 캡조립체
110: 캡플레이트 111: 단자통공
112: 전해액주입공 116: 벤트
118: 제 1 결합부 119: 제 2 결합부
130: 전극단자 140: 절연플레이트
142: 홀 150: 단자플레이트
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캡플레이트의 하면에 절연플레이트와 상보적으로 결합하는 결합부가 형성되어 전극단자를 회전하면서 끼울 때 전극단자와 함께 회전하지 않도록 함으로써 캡플레이트와 단자플레이트간의 단락을 방지하고, 아울러 절연플레이트가 벤트의 일부를 덮도록 형성되는 경우 벤트에 가해지는 충격을 흡수하여 전지의 안정성을 향상시킬 수 있는 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.
이차전지는 캔과, 이 캔 내부에 수용되는 전극조립체와, 캔에 결합되는 캡조립체를 포함하여 이루어진다.
이 중 캡조립체는 캔의 상부에 결합되는 캡플레이트와, 단자통공을 통하여 설치되고 그 외면에 캡플레이트와의 절연을 위한 가스켓이 위치하는 전극단자와, 캡플레이트의 아랫면에 설치되는 절연플레이트와, 이 절연플레이트의 아랫면에 설치되어 전극단자와 통전되는 단자플레이트를 포함하여 이루어진다. 전극조립체의 한 전극은 전극탭과 단자플레이트를 통해 전극단자와 전기적으로 연결되고, 다른 전극은 이와 연결되는 전극탭을 통해 캡플레이트나 캔에 전기적으로 연결된다.
캡플레이트의 일측에는 캡플레이트의 다른 부분보다 두께가 얇은 벤트가 형성된다. 이에 따라, 과충전시 전지 내부에서 발생한 가스의 압력에 의해 다른 부분보다 먼저 벤트가 뚫림으로써 전지의 폭발을 방지한다.
그런데, 종래의 캡조립체에는 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 캡조립체를 제조하기 위해 전극단자를 캡플레이트에 형성된 단자통공과 절연플레이트와 단자플레이트에 회전하면서 끼운 후 단자플레이트에 끼워진 전극단자의 끝단을 압착한다. 이와 같이, 전극단자를 회전하면서 끼우는 과정에서 절연플레이트나 단자플레이트도 함께 회전될 수 있고, 이에 따라 캡플레이트와 단자플레이트간에 단락이 발생할 위험이 있다.
또한, 과충전시 내부가스압에 의해 파괴되도록 설계된 벤트가 본래의 목적과 달리 전지낙하 등의 외부충격에 의해 파괴될 수 있는 위험이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극단자를 끼울 때 절연플레이트가 전극단자와 함께 회전하지 않도록 함으로써 캡플레이트와 단자플레이트간의 단락을 방지하고, 아울러 외부충격에 의해 벤트에 가해지는 충격을 흡수하는 절연플레이트의 구조를 설계하는 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 전극조립체; 이 전극조립체가 수용되는 캔; 및 이 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서,
캡조립체는 단자통공이 형성된 캡플레이트와, 단자통공을 통하여 설치되고 그 외면에 캡플레이트와의 절연을 위한 가스켓이 위치하는 전극단자와, 캡플레이트 아래에 위치하며 전극단자의 하단부와 결합되는 단자플레이트와, 캡플레이트와 단자플레이트 사이에 위치하여 캡플레이트와 단자플레이트 사이를 절연하는 절연플레이트를 구비하며, 상기 캡플레이트의 하면, 또는 상기 캡플레이트의 하면과 상기 절연플레이트 각각에 상기 캡플레이트의 하면과 상기 절연플레이트 간의 상보적 결합이 이루어지도록 하는 결합부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 캡플레이트에는 캡플레이트의 다른 부분보다 두께가 얇은 벤트가 형성되고, 절연플레이트는 상기 벤트의 일부를 덮도록 이루어질 수도 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이차전지에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분리 사시도이다.
도면을 참조하면, 이차전지는 전극조립체(12)와, 이 전극조립체(12)를 수용하는 캔(11)과, 이 캔(11)과 결합되는 캡 조립체(100)를 포함한다.
전극조립체(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 이루 어진 집전체 각각에 음극 활물질인 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. 전극조립체(12)에는 각 전극과 연결된 양극 및 음극탭(16, 17)이 인출되어 있다. 상기 양극 및 음극탭(16, 17)에는 상기 전극조립체(12)의 외부로 인출되는 경계부에 극판(13, 15) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다.
캔(11)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(11)은 전극조립체(12)와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체(12)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. 이를 위해, 전극단자(130)를 캡플레이트(110)에 형성된 단자통공(111)과 절연플레이트(140)와 단자플레이트(150)에 회전하면서 끼운 후 단자플레이트(150)에 끼워진 전극단자(130)의 끝단을 압착한다. 여기서, 전극단자(130)를 회전하면서 끼우는 과정에서 절연플레이트(140)나 단자플레이트(150)도 함께 회전된다면, 캡플레이트(110)와 단자플레이트(150)간에 단락이 발생할 위험이 있는데, 이를 방지하기 위한 구조에 관해서는 후술하기로 한다.
전극조립체(12)의 음극(15)은 음극탭(17)과 단자플레이트(150)를 통하여 전극단자(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 전극조립체(12)의 양극(13)의 경우에는 양극탭(16)이 캡플레이트(110)나 캔(11)에 용접되어 있다. 상기 단자플레이트(150)의 하부에는 절연케이스(190)가 더 설치될 수도 있다. 한편, 극성을 달리하여 전지를 설계할 수도 있을 것이다.
캡플레이트(110)의 일측에는 벤트(116)가 형성되는데, 이 벤트(116)는 과충전 등으로 인하여 전지의 내부압력이 증가할 때 내부가스를 방출시켜 전지의 안전성을 확보하는 역할을 한다. 이러한 벤트(116)는 캡조립체(110)의 다른 부분보다 얇게 성형된 부분으로서 내압이 증가하면 우선적으로 파단되어 내부가스를 방출시킨다. 이러한 벤트(116)가 캔(10)의 외부 바닥면에 제공된다면, 화성공정 중에 손상되어 파손될 우려가 있다. 이차전지의 초기 충·방전 테스트시 테스트용 프로브(probe) 중 하나는 캔(10)의 외부 바닥면을 지지하게 되는데. 이 프로브의 선단에 의해 벤트가 손상될 위험이 있기 때문이다. 따라서, 벤트(116)는 캡플레이트(110) 에 형성되는 것이 바람직하다.
캡플레이트(110)의 타측에는 캔(11)의 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해액주입공(112)이 형성되어 있으며, 전해액 주입 후 상기 전해액주입공(112)을 밀폐시키는 밀봉부(160)가 형성된다. 이 밀봉부(160)에 관해서는 다양한 실시형태들이 있을 수 있다. 예를 들어, 전해액주입공(112)보다 직경이 큰 볼(ball)을 전해액주입공 입구에 놓고 기계적으로 전해액주입공으로 압입하여 밀봉부(160)를 형성한 후, 그 밀봉부(160)의 가장자리를 따라서 용접을 함으로써 전해액주입공(112)을 밀폐할 수도 있다. 또한, 전해액주입공(112)의 윗면에 이보다 큰 박판의 밀봉플레이트를 면접촉시킨 후, 이 밀봉플레이트의 가장자리를 따라서 용접을 함으로써 전해액주입공(112)을 밀폐할 수도 있다.
전극단자(130)를 회전하면서 끼우는 과정에서 절연플레이트(140)나 단자플레이트(150)의 회전을 방지하기 위한 구조에 관하여 보다 상세하게는 다음과 같다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 이차전지의 캡조립체의 단면도와 평면도이다.
도면을 참조하면, 캡조립체(100)는 단자통공이 형성된 캡플레이트(110)와, 단자통공을 통하여 설치되고 그 외면에 캡플레이트(110)와의 절연을 위한 가스켓(120)이 위치하는 전극단자(130)와, 캡플레이트(110) 아래에 위치하며 전극단자(130)의 하단부와 결합되는 단자플레이트(150)와, 캡플레이트(110)와 단자플레이트(150) 사이에 위치하여 캡플레이트(110)와 단자플레이트(150) 사이를 절연하는 절연플레이트(140)를 구비하며, 캡플레이트(110)의 하면에는 절연플레이트(140)와 상보적으로 결합하는 결합부(118, 119)가 형성되어 있다.
또한, 캡플레이트(110)에는 캡플레이트(110)의 다른 부분보다 두께가 얇은 벤트(116)가 형성되어 있고, 절연플레이트(140)는 상기 벤트(116)의 일부를 덮도록 이루어져 있다.
여기서, 캡플레이트(110)에 형성된 결합부는 제 1 결합부(118)와 제 2 결합부(119)를 포함하며, 단자통공과 제 1 결합부(118) 사이에 벤트(116)가 위치한다. 또한, 제 2 결합부(119)는 상기 단자통공을 기준으로 제 1 결합부(118)의 맞은 편에 위치한다. 이에 따라, 전극단자(130)가 회전되는 축을 사이에 두고 양측에 절연플레이트(140)의 회전을 방지하는 결합부가 위치함으로써 회전방지 효과가 배가된다.
도면을 참조하여 캡플레이트(110)와 절연플레이트(140)가 결합되는 형상을 살펴보면, 캡플레이트(110)의 제 1 결합부(118)는 캡플레이트(110)의 하면에 형성된 홈부이고, 절연플레이트(140)의 상면에는 상기 제1 결합부(118)와 상보적인 결합부로서, 상기 홈부에 상보적인 돌출부가 형성되어 있다. 그리고, 캡플레이트(110)의 제 2 결합부(119)는 캡플레이트(110)의 하면에 형성된 돌기부이고, 절연플레이트(140)의 측면에는 상기 제2 결합부(119)와 상보적인 결합부로서, 상기 돌기부에 대응되어 끼워지는 홈이 형성되어 있다.
물론, 제 1 결합부(118)가 캡플레이트(110)의 하면에 형성된 돌기부이고, 절연플레이트(140)의 측면에 상기 돌기부에 대응되어 끼워지는 홈이 형성될 수도 있다. 또한, 제 2 결합부(119)가 캡플레이트(110)의 하면에 형성된 홈부이고, 절연플레이트(140)의 상면에 상기 홈부에 상보적인 돌출부가 형성될 수도 있다. 또는, 제 1 결합부(118)와 제 2 결합부(119)가 유사한 형상을 취하여 절연플레이트(140)와 결합되는 기작이 동일할 수도 있다.
또는, 캡플레이트(110)의 결합부는 캡플레이트(110)의 하면에 형성된 돌기부이고, 절연플레이트(140)의 상면에 상기 돌기부에 상보적인 홈 또는 홀이 형성됨으로써 캡플레이트(110)와 절연플레이트(140)가 결합될 수도 있다.
캡플레이트(110)의 제 1 및 제 2 결합부와 이에 대응되는 절연플레이트(140)의 형상은 상술한 실시예들간에 다양한 조합이 가능하다. 다만, 본 발명의 내용은 상술한 형상에 한하지 않는다.
또한, 절연플레이트(140)가 벤트(116)의 일부를 덮도록 이루어짐으로써, 전지낙하 등 외부충격에 의해 벤트(116)에 가해지는 충격을 흡수할 수 있게 된다.
도 2 의 평면도를 참조하면, 벤트(116)의 바로 아래에 위치하는 절연플레이트(140) 부분에 벤트(116)의 크기보다 작은 크기의 홀(142)이 형성되어 있다. 벤트(116)는 본래 과충전시 전지 내부에서 발생한 가스의 압력에 의해 다른 부분보다 먼저 뚫림으로써 전지의 폭발을 방지하는 역할을 하는 안전장치인데, 이 벤트(116)를 절연플레이트(140)에 의해 전지 내부에서 전부 막아버린다면 상술한 본래의 역할을 수행할 수 없게 된다. 따라서, 벤트(116)의 위치에 대응되는 절연플레이트(140)에 홀(142)을 형성함으로써 과충전시 내부가스가 이 홀(142)을 통해 벤트(116)에 압력을 가할 수 있게 된다. 결국, 벤트(116)의 일부를 덮는 절연플레이트(140)에 의해 벤트(116)에 가해지는 충격을 흡수함과 동시에, 벤트(116) 본래의 역할을 수행할 수 있게 된다.
한편, 절연플레이트(140)의 하면은 단자플레이트(150)의 일부 또는 전부가 수용될 수 있도록 단차져 있다. 이에 따라, 전극단자(130)의 회전시 단자플레이트(150)도 함께 회전되는 것을 방지하여 캡플레이트(110)와 단자플레이트(150)간의 단락을 방지한다.
또는, 절연플레이트(140)의 하면에 홈이 형성되고, 단자플레이트(150)의 상면에 상기 홈에 상보적인 돌기부가 형성될 수도 있다. 이에 따라, 전극단자(130)의 회전시 단자플레이트(150)도 함께 회전되는 것을 방지하여 캡플레이트(110)와 단자플레이트(150)간의 단락을 방지할 수 있게 된다. 다만, 본 발명의 내용은 이에 한정되지 않는다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 캡조립체의 단면도와 평면도이다.
본 실시예에 의하면, 벤트(116)의 바로 아래에 위치하는 절연플레이트(140) 부분은 망사구조를 갖는다. 따라서, 망사구조의 절연플레이트(140)로 인해 외부충격시 벤트(116)에 가해지는 충격을 흡수함과 동시에, 망사 사이의 구멍을 통해 과충전시 내부가스가 벤트(116)에 압력을 가할 수 있게 된다.
그 밖의 다른 내용은 도 2 에서 설명한 내용과 동일하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 이차전지는 절연플레이트와 캡플레이트간의 구조적인 결합에 의해 전극단자를 끼울 때 절연플레이트가 전극단자와 함께 회전하지 않도록 함으로써 캡플레이트와 단자플레이트간의 단락을 방지할 수 있고, 아울러 절연플레이트가 벤트의 일부를 덮도록 형성되는 경우에는 벤트에 가해지는 충격을 흡수하여 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.
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 (11)

  1. 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서,
    상기 캡조립체는 단자통공이 형성된 캡플레이트와, 상기 단자통공을 통하여 설치되고 그 외면에 상기 캡플레이트와의 절연을 위한 가스켓이 위치하는 전극단자와, 상기 캡플레이트 아래에 위치하며 상기 전극단자의 하단부와 결합되는 단자플레이트와, 상기 캡플레이트와 상기 단자플레이트 사이에 위치하여 상기 캡플레이트와 상기 단자플레이트 사이를 절연하는 절연플레이트를 구비하며,
    상기 캡플레이트의 하면, 또는 상기 캡플레이트의 하면과 상기 절연플레이트 각각에 상기 캡플레이트의 하면과 상기 절연플레이트 간의 상보적 결합이 이루어지도록 하는 결합부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡플레이트에는 상기 캡플레이트의 다른 부분보다 두께가 얇은 벤트가 형성되고, 상기 절연플레이트는 상기 벤트의 일부를 덮도록 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 결합부는 제 1 결합부와 제 2 결합부를 포함하며, 상기 단자통공과 상 기 제 1 결합부 사이에 상기 벤트가 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 결합부는 상기 단자통공을 기준으로 상기 제 1 결합부의 맞은 편에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 벤트의 바로 아래에 위치하는 절연플레이트 부분에 상기 벤트의 크기보다 작은 크기의 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 벤트의 바로 아래에 위치하는 절연플레이트 부분은 망사구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연플레이트의 하면은 상기 단자플레이트의 일부 또는 전부가 수용될 수 있도록 단차진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연플레이트의 하면에 홈이 형성되고, 상기 단자플레이트의 상면에 상 기 홈에 상보적인 돌기부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합부는 상기 캡플레이트의 하면에 형성된 홈부이고, 상기 절연플레이트의 상면에는 상기 홈부에 상보적인 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합부는 상기 캡플레이트의 하면에 형성된 돌기부이고, 상기 절연플레이트의 상면에는 상기 돌기부에 상보적인 홈 또는 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합부는 상기 캡플레이트의 하면에 형성된 돌기부이고, 상기 절연플레이트의 측면에는 상기 돌기부에 대응되어 끼워지는 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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