KR100709872B1 - 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 이 전극조립체가 수용되는 캔; 및 이 캔의 개방된 상부와 결합되며, 전극조립체의 한 전극과 전기적으로 연결되는 전극단자를 구비한 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서, 전극단자와 이에 접촉하는 부품이 이 둘 중 어느 한 부품에 형성된 돌기부를 통해 접촉하며, 이 접촉부위를 용접함으로써, 용접을 빨리 마무리할 수 있고, 용접부위의 재료 손실을 최소화할 수 있으며, 용접성 또한 우수하여 용접부위의 결합이 떨어지는 불량을 방지할 수 있다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분리 사시도,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전극단자에 PTC 소자가 연결되는 모습을 나타내는 부분 사시도,
도 3 은 도 2 에서 나타낸 이차전지의 전극단자의 평면도,
도 4 는 도 3 의 전극단자에 접촉부품이 용접되는 모습을 나타내는 단면도,
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전극단자와 접촉부품이 접촉하는 모습을 나타내는 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 이차전지 11: 캔
12: 전극조립체 100: 캡조립체
110: 캡플레이트 130, 130': 전극단자
132: 돌기부 200: (써멀) 브레이커
205: PTC 소자 210, 220: 접촉부품
222: 돌기부 311, 321: 외부 입출력 단자
360, 370: 접속단자 400: 용접봉
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극단자와 이 전극단자의 상면에 접촉하는 부품 사이의 용접성을 개선한 이차전지에 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.
여기서, 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.
상기 전극단자는 PTC 소자(positive temperature coefficient)나 써멀 브레이커(thermal braker)나 보호회로기판(PCM; Protective Circuit Module) 등의 안전장치의 일단 또는 접속리드 등과 용접된다. 안전장치들은 양극과 음극에 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과도한 충·방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 경우 전류를 차단해 전지의 파열 등의 위험을 방지하게 한다.
그런데, 종래의 전극단자와 이와 접촉하는 부품의 용접부위는 양자 모두 평평한 구조를 가지고 있어, 용접된 부위가 잘 떨어지는 불량이 발생하고, 또한 용접시간이 비교적 긴 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극단자와 이 전극단자의 상면에 접촉하는 부품 사이의 용접성을 개선하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 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 결합되며, 전극조립체의 한 전극과 전기적으로 연결되는 전극단자를 구비한 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서, 전극단자의 상면에 돌기부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 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 결합되며, 전극조립체의 한 전극과 전기적으로 연결되는 전극단자를 구비한 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서, 전극단자의 상면과 접촉하는 부품에 돌기부가 형성되고, 이 돌기부와 전극단자의 상면이 용접되는 것을 특징으로 한다.
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. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
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 이루어진 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 양 극(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.
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 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.
한편, 캡플레이트(110)의 일측에는 홀더(182)와의 구조적 결합을 용이하게 하기 위한 돌출부(181)가 형성되어 있다. 홀더(182)는, 후에 보호회로기판(300)과 캡조립체(100) 사이에 성형수지를 채워 몰딩함으로써 팩전지를 형성하는데, 팩전지 형성 후 외부에서의 비틀림 등의 외력에 의해 응고된 수지와 부품과의 결합이 떨어지지 않도록 외력에 대한 구조적 저항체의 역할을 수행한다.
이와 같이, 캡조립체(100)에 의해 캔(11)의 개방된 상부가 밀봉되며, 이 상태의 전지를 단위셀 또는 베어셀(bare cell)이라고도 한다. 이러한 단위셀의 전극단자(130)는 PTC 소자나 써멀 브레이커나 보호회로기판 등의 안전장치와 전기적으 로 연결된다. 안전장치들은 양극과 음극에 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과도한 충·방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 경우 전류를 차단해 전지의 파열 등의 위험을 방지한다.
도 1 에서는, 써멀 브레이커(200)의 일단이 전극단자(130)의 상면에 용접되어 고정된다. 전극단자(130)의 상면에는 돌기부가 형성되어 있다. 이에 따라, 전극단자(130)와, 외부회로에 접속되는 외부 입출력 단자(321)와 전기적으로 연결되며 상기 돌기부에 접촉되는 부품(이하, '접촉부품'이라 한다. 도 1 에서는 써멀 브레이커(200)가 접촉부품이 된다) 사이의 용접성이 개선되는데, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 음극성을 띄는 전극단자(130)와 접촉하는 써멀 브레이커(200)와 양극성을 띄는 캡플레이트(110)와의 절연을 위해, 브레이커(200)와 캡플레이트(110)와의 사이에 절연부재(185)가 위치한다. 브레이커(200)는 음극 접속단자(370)와 용접되고, 보호회로(미도시)를 통해 외부 입출력 단자(321)와 전기적으로 연결된다. 또한, 캡플레이트(110)에 접촉 고정된 접속리드(260)는 양극 접속단자(360)과 용접되고, 외부 입출력 단자(311)와 전기적으로 연결된다. 다만, 극성은 바뀌어 설계될 수도 있다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전극단자(130)에 PTC 소자(205)가 연결되는 모습을 나타내는 부분 사시도이다. 도 1 에서 나타낸 실시예와 다른 점은, 전극단자(130)에 써멀 브레이커가 아닌 PTC 소자(205)가 접촉부품(210)을 통해 연결되어 있고, PTC 소자(205)가 접속리드(220)를 통해 음극 접속단자(미 도시)와 연결된다는 것이다.
접촉부품(210)과 전극단자(130)가 용접되는 모습에 관하여 보다 상세하게는 다음과 같다.
도 3 은 도 2 에서 나타낸 이차전지의 전극단자의 평면도이고, 도 4 는 도 3 의 전극단자에 접촉부품이 용접되는 모습을 나타내는 단면도이다.
도면을 참조하면, 전극단자(130)의 상면에 돌기부(132)가 형성되어 있다. 여기서, 돌기부(132)는 전극단자(130) 성형 후 전극단자 하면의 일 지점을 가압하여 형성할 수도 있고, 또는 전극단자(130) 성형시에 돌기부(132)를 갖도록 형성할 수도 있다.
이 돌기부(132)에 접촉부품(210)이 용접된다. 이 경우, 접촉부품(210)에서 돌기부(132)와 접촉하는 접촉부위를 포함하는 면은 평평한 것이 용접성 면에서 바람직하다.
여기서, 용접은 저항용접이 바람직하다. 이는 저항용접이 용접온도가 저온이고 작업속도가 빠르며 용접부분의 안정성이 크기 때문이다. 저항용접은 조작이 거의 기계적이어서 다른 용접법처럼 사람의 기능의 우열에 의한 영향이 적고, 용접에 필요한 시간도 적으므로 대량 생산에 적당하다. 저항용접은 금속에 전류가 흐를 때 일어나는 줄(Joule)열을 이용하여 압력을 가하면서 용접하는 방법이다. 용접하고자 하는 2개의 금속면을 서로 맞대어 놓고 적당한 기계적 압력을 주면서 전류를 흐르게 하면 접촉면에 존재하는 접촉저항 및 금속자체의 저항 때문에 접촉면과 부근에 열이 발생하여 온도가 오르게 된다. 이 줄열에 의해 피용접재료가 용융되고, 접촉 면에 가해진 압력에 의해 양면이 완전히 밀착하게 된다.
도면에서는 저항용접 중 단상교류식 시리즈(series) 방식의 스팟용접을 나타내고 있는데, 두 용접봉(400)을 피용접재료의 양 측에 마주보게 놓지 않고 피용접재료의 한 측에 놓고 용접을 실시한다.
이러한 저항용접을 위해, 접촉부품(210)은 니켈 또는 니켈합금으로 이루어질 수 있다. 일반적으로 고유 전기저항이 크고, 열전도율이 작으며, 용융점은 낮고, 소성구역 온도범위가 넓은 금속일수록 저항용접이 쉽다. 니켈은 20℃에서 6.84[uΩ㎝]의 전기저항도와 0.22[㎈/㎝·s·℃]의 열전도도를 갖는 데 반해, 알루미늄은 같은 온도에서 2.655[uΩ㎝]의 전기저항도와 0.53[㎈/㎝·s·℃]의 열전도도를 갖는다. 따라서, 알루미늄보다 니켈이나 니켈합금으로 이루어지는 것이 저항용접이 용이하다.
한편, 돌기부(132)는 전극단자 상면의 가장자리에서 이격되어 내측에 두 개가 형성되어 있으며, 두 돌기부는 서로 일정거리 이격된 채 형성되는 것이 바람직하다. 이는 피용착재료의 끝에 스팟 용접을 하는 것은 부적당하기 때문이며, 두 돌기부가 인접해 있다면 구조적으로 접합을 지탱하는 힘이 약해지고 용접부위를 이격시킴으로써 두 용접부위에 대해 용접열이 서로 미치는 영향을 최소화하기 위함이다.
상술한 바와 같이, 전극단자(130)의 돌기부(132)와 접촉부품(210)이 접촉하는 부위를 용접하는데, 종래의 평평한 구조와 달리, 접촉저항이 돌기부(132) 부위 에 집중되어 줄열에 의한 용융이 쉽고 빠르게 일어난다. 따라서, 용접이 빨리 마무리될 수 있게 되고, 접촉지점의 재료 손실을 최소화할 수 있으며, 용접성 또한 우수하여 용접부위의 결합이 떨어지는 불량을 방지할 수 있다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전극단자와 접촉부품이 접촉하는 모습을 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 4 에서 나타낸 실시예와 다른 점만을 살펴보면, 접촉부품(220)에 돌기부(222)가 형성되며, 이 돌기부(222)와 전극단자(130')의 상면이 용접된다.
여기서, 돌기부(222)는 판형의 접촉부품(220) 성형 후 그 상면의 일 지점을 하방으로 가압하여 형성할 수도 있고, 또는 접촉부품(220) 성형시에 돌기부(222)를 갖도록 형성할 수도 있다.
이에 따라, 본 실시예에서도 전술한 실시예에서와 마찬가지로, 용접이 빨리 마무리되고, 접촉지점의 재료 손실이 최소화되며, 용접성 또한 우수하여 용접부위의 결합이 떨어지는 불량을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 전극단자와 이에 접촉하는 부품이 이 둘 중 어느 한 부품에 형성된 돌기부를 통해 접촉하며, 이 접촉부위를 용접함으로써, 용접을 빨리 마무리할 수 있고, 용접부위의 재료 손실을 최소화할 수 있으며, 용접성 또한 우수하여 용접부위의 결합이 떨어지는 불량을 방지할 수 있다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다 양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (7)

  1. 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 개방된 상부와 결합되며, 상기 전극조립체의 한 전극과 전기적으로 연결되는 전극단자를 구비한 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서,
    상기 전극단자의 상면에 돌기부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 전극단자 상면의 가장자리에서 이격되어 내측에 두 개가 형성되며, 상기 두 돌기부는 서로 일정거리 이격된 채 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    외부회로에 접속되는 외부 입출력 단자와 전기적으로 연결되며 상기 돌기부에 접촉되는 부품을 접촉부품이라 할 때, 상기 접촉부품과 상기 돌기부와의 접촉부위가 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 접촉부품의 상기 접촉부위를 포함하는 면은 평평한 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 용접은 저항용접인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 접촉부품은 니켈 또는 니켈합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 개방된 상부와 결합되며, 상기 전극조립체의 한 전극과 전기적으로 연결되는 전극단자를 구비한 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서,
    상기 전극단자의 상면과 접촉하는 부품에 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부와 상기 전극단자의 상면이 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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