KR100709874B1 - 각형 리튬 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각형 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 캔의 상단부 내측면에 상기 캡조립체가 안착되는 위치를 확보하는 지지면이 돌출되도록 상기 캔의 양측으로 스토퍼를 엠보싱 성형하는 각형 리튬 이차전지와, 캔 내부에 젤리 롤 타입의 전극조립체를 삽입하는 단계; 상기 캔의 상단부에 스토퍼를 형성하는 단계; 상기 캔의 내측으로 절연케이스를 삽입하여 상기 전극조립체의 상부에 안착시키는 단계; 및 상기 캔의 상단부에 형성된 스토퍼의 상면에 캡조립체를 안착시키고 캔을 밀봉하는 단계로 진행하여 캔 가공시 단차부 성형을 배제하는 각형 리튬 이차전지의 제조방법을 제공한다.
각형 캔, 스토퍼, 캡조립체

Description

각형 리튬 이차전지 및 그 제조방법 {Prismatric type lithium secondary battery and method thereof}
도 1은 종래의 각형 리튬 이차전지의 부분 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 리튬 이차전지의 분해사시도.
도 3a는 도 2에서 각형 캔의 평면도.
도 3b는 도 3a의 A-A선 단면도.
도 4는 도 2의 결합상태 단면도.
도 5a 및 도 5b는 도 3a의 변형예의 평면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 각형 캔의 평면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
30 ; 각형 리튬 이차전지
31 ; 캔 32 ; 전극조립체
40 ; 캡조립체 41 ; 캡플레이트
48 ; 절연케이스 50,51,52 ; 스토퍼
50A ; 스토퍼의 상면(지지면) 50B ; 스토퍼의 하면
본 발명은 각형 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각형 캔에서 캔의 상단 개구부를 밀봉하는 캡조립체가 안착되는 부위의 성형 공정을 간소화도록 한 각형 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 칭하는 것으로서, 셀룰라폰, 노트북컴퓨터, 캠코더 등의 첨단전자기기분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-수소전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속하게 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와, 고분자전해질 전지로 분류되며, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 또한, 리튬이차전지는 여러가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
일반적으로 각형리튬이차전지(10)는 캔(11)과, 상기 캔(11)의 내부에 수용되는 전극조립체(12)와, 상기 캔(11)의 상단 개구부에 결합되어 밀봉하는 캡조립체(20)를 포함한다.
상기 캔(11)은 그 내부가 공간부를 갖는 금속재로 된 각형의 케이스이며, 상 기 전극조립체(12)는 양극판(13)과, 세퍼레이터(14)와, 음극판(15)이 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 권취되어 있고, 상기 양극판(13) 및 음극판(15)으로부터 양극리드(16) 및 음극리드(17)가 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 삽입되는 음극단자(23)와, 상기 캡플레이트(21)의 하면에 설치되는 절연플레이트(24)와, 상기 절연플레이트(24)의 하면에 설치되어 상기 음극단자(23)와 통전되는 단자플레이트(25)를 포함하고 있다. 또한, 상기 캡플레이트(21)에는 캔(11) 내부로 전해액이 주입되는 통로를 제공하는 전해액주입공(26)이 형성되어 있고, 상기 전해액주입공(26)은 볼(27)에 의하여 결합되어 있다. 이때, 상기 양극리드(16)는 상기 캡플레이트(21)의 하면에 직접 연결되어 있으며, 상기 음극리드(17)는 상기 단자플레이트(25)를 통하여 음극단자(23)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 캔(11)의 내부에는 상기 전극조립체(12)의 상부에 상기 전극조립체(12)를 캡조립체(20)와 절연시키기 위한 절연케이스(18)가 설치되어 있다. 상기 절연케이스(18)에는 음극리드(17)가 인출되는 리드공(18a)과, 전해액이 유동되는 전해액유입공(18b)이 형성되어 있다.
상기와 같은 구조를 가지는 각형리튬이차전지(10)는 상기 캔(11)의 내부에 젤리-롤형의 전극조립체(12)를 삽입한 후에 상기 전극조립체(12)의 상면에 절연케이스(18)를 안착시키고, 캔(11)의 상단에 형성된 단차부(11a)에 캡조립체(20)를 안착시킨다. 상기 캡조립체(20)는 상기 전극조립체(12)로부터 인출된 양극리드(16) 와, 음극리드(17)가 캡플레이트(21)의 저면과, 음극단자(23)에 각각 용접하며, 상기 캔(11)에 대하여 캡조립체(20)를 용접하고, 전해액주입공(26)을 통하여 전해액을 주입하게 된다. 전해액이 주입된 후에 상기 전해액주입공(26)은 볼(27)로서 밀폐된다.
그러나 종래 기술에 의한 각형 리튬 이차전지는 캔의 제조공정시 캡조립체(20)를 캔(11)의 상단 개구부 주위에 안착시키기 위한 단착부(11a)를 형성하기 위하여 별도로 단차부 성형 공정을 추가로 실시해야 하므로 제조공정이 증대되어 전체 제조비용이 상승되는 문제가 있으며, 캡조립체(20)가 직진도를 갖고 안착되기 위해서는 안착부의 가공 공정상의 어려움도 아울러 발생된다.
또한, 종래 각형 리튬 이차전지는 전극조립체의 상부에 설치되는 절연케이스(18)는 가장자리의 최외곽의 상측으로 캔과의 밀폐성을 향상시키기 위한 연장부(18c)가 형성되는데 이러한 연장부에 의하여 절연케이스가 셀 내부에서 차지하는 공간이 커지게 되어 실제적으로 전지의 용량은 감소되는 문제가 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은 캔의 제조공정을 간소화하여 제조비용을 절감하도록 하려는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 캡조립체의 안착부의 편평도를 용이하게 확보함과 아울러 캡조립체의 안착위치를 임의로 용이하게 조절가능하도록 하려는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 캡조립체의 안착부가 형성되는 위치의 조절되어 전극조립체를 절연시키기 위한 절연케이스의 형상을 단순화시켜 셀 내부공간을 확 보하여 전지의 용량을 증대시키려는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 각형 리튬 이차전지는 양극판과 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 권취되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체와; 상기 전극조립체가 상단 개구부로 삽입되어 수용되는 캔과; 상기 캔의 상단 개구부를 밀봉하는 캡조립체; 및 상기 캔의 내부에 삽입되어 상기 전극조립체의 상부에 설치되는 절연케이스를 포함하는 리튬 각형 이차전지에 있어서, 상기 캔의 상단부 내측면에, 상기 캡조립체가 안착되는 위치를 확보하는 지지면이 돌출되게 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 지지면은 상기 캔의 양측으로 스토퍼를 엠보싱 성형하여 그 상면을 이용하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 지지면은 상기 캡조립체의 양단부가 수평상태로 안착되도록 편평하게 형성되는 것이 바람직하다. 상기 스토퍼는 상기 캔의 네 변중 길이가 상대적으로 짧게 형성된 양측면에 형성되거나, 상기 스토퍼는 상기 캔의 네 변중 길이가 상대적으로 길게 형성된 전후면에 형성되거나 양측 모두에 형성될 수 있으며, 상기 스토퍼의 형상은 원형, 각형, 유선형 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 절연케이스는 판상의 플레이트로 형성되는데, 상기 절연케이스가 상기 스토퍼의 하면에 밀착되는 상태로 설치되어 절연케이스의 형상을 단순화시키게 된다.
본 발명에 의한 각형 리튬 이차전지의 제조방법은 캔 내부에 젤리 롤 타입의 전극조립체를 삽입하는 단계; 상기 캔의 상단부에 스토퍼를 형성하는 단계; 상기 캔의 내측으로 절연케이스를 삽입하여 상기 전극조립체의 상부에 안착시키는 단계; 및 상기 캔의 상단부에 형성된 스토퍼의 상면에 캡조립체를 안착시키고 캔을 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여 캔의 단차부 성형을 배제하고 전극조립체를 삽입한 후에 프레스 가공에 의한 압축가공방식으로 스토퍼를 간단하게 형성할 수 있다.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 각형리튬이차전지(30)는 캔(31)과, 상기 캔(31)의 내부에 수용되는 전극조립체(32)와, 상기 캔(31)의 상부에 결합되는 캡조립체(40)를 포함한다.
상기 캔(31)은 그 내부에 중공이 형성되고 상단이 개방된 각형의 금속재로서, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다.
상기 캔(31)의 상단부 양측면에 캔의 내부측으로 돌출되도록 엠보싱(embossing) 가공된 스토퍼(50)가 형성된다. 이러한 스토퍼를 형성하기 위한 엠보싱 가공 방식은 프레스 가공중 압축가공방식의 특수한 형태로서 가공속도가 빠르고 생산비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 캔(31)의 좌,우 양측의 내측면에 각각 스토퍼(50)가 돌출되어 있다. 이러한 좌,우측 스토퍼에 의해 캡조립체(40)의 양단부가 안착되는 부위가 확보된다. 즉, 상기 좌,우측 스토퍼(50)는 캔의 내측으로 돌출된 상태에서 상면(50A)과 하면(50B)이 형성되는데, 상기 캡조립체(40)가 안착되는 지지면인 상면(50A)은 캡조립체(40)가 일측으로 기울어지지 않고 수평을 유지하도록 직진도를 갖고 편평하게 형성되고, 하면(50B)에는 하기하는 절연케이스(48)의 상면이 밀착되게 설치된다.
따라서 프레스 가공방식에 의하여 캔(41)의 양측면에 형성되는 상기 좌,우측 스토퍼(50)는 형성되는 위치를 용이하게 조절할 수 있으므로 전지의 용량에 따라 절연케이스를 설치하기 위한 높이에 형성된다.
상기 캔(31)의 내부에 수용되는 전극조립체(32)는 양극판(33)과, 음극판(35)과, 세퍼레이터(34)를 포함하고 있다. 상기 양극판 및 음극판(33)(35)과, 세퍼레이터(34)는 각각 한 장의 스트립으로 이루어져 있고, 양극판(33), 세퍼레이터(34), 음극판(35), 그리고 다시 세퍼레이터(34)가 순차적으로 적층되어 젤리-롤형으로 권취되어 있다. 상기 세퍼레이터(34)는 상기 양극판 및 음극판(33)(35)의 절연을 위하여 복수개 배치되어 있다.
또한, 상기 캔(31)의 상단 개구부를 통해 안착되어 개구부를 밀봉하는 상태로 결합되는 캡조립체(40)는 캡플레이트(41)가 포함되어 있다. 상기 캡플레이트(41)는 상기 캔(31)의 입구와 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 금속재이다. 상기 캡플레이트(41)의 중앙에는 소정크기의 단자통공(42)이 형성되어 있고, 캡플레이트(41)의 일측에는 전해액주입공(43)이 형성되어 있다. 상기 전해액주입공(43)에는 볼(49)이 밀폐가능하게 결합되어 있다.
상기 단자통공(42)에는 하나의 전극단자, 예컨대 음극단자(45)가 삽입가능하도록 위치하고 있다. 상기 음극단자(45)의 외면에는 캡플레이트(41)와의 절연을 위 하여 튜브형태의 가스켓(44)이 설치되어 있다. 상기 캡플레이트(41)의 하면에는 절연플레이트(46)가 설치되어 있고, 상기 절연플레이트(46)의 하면에는 단자플레이트(47)가 설치되어 있다.
상기 음극단자(45)는 가스켓(44)이 외주면을 감싼 상태에서 상기 단자통공(42)을 통하여 삽입되어 있다. 상기 음극단자(45)의 저면부는 캔(31)과 캡플레이트(41)가 결합되는 캡플레이트(41)의 하방향으로 노출되어서 상기 절연플레이트(46)와, 단자플레이트(47)가 개재된 상태에서 상기 캡플레이트(41)에 대하여 그 위치가 고정된다. 상기 음극단자(45)의 저면부는 상기 단자플레이트(47)와 전기적으로 연결되어 있다.
따라서 상기 캡조립체(40)의 밀봉시 상기 캡플레이트(41)가 캔(31)의 상단부에 양측면에 형성된 좌,우측 스토퍼(50)의 상면(50A)에 지지되는 상태로 안착되는 것이다.
한편, 상기 전극조립체(22)의 상부에는 상기 전극조립체(22)와 캡조립체(40)를 전기적으로 절연시킴과 아울러 상기 전해액주입공(43)을 통하여 주입되는 전해액의 유동경로를 제공하는 절연케이스(48)가 설치되어 있다. 상기 절연케이스(48)는 절연성을 가지는 소재인 고분자수지이며, 폴리프로필렌으로 된다. 이때, 절연케이스(48)는 상기 좌,우측 스토퍼(50)의 하면(50B)에 밀착되는 상태로 설치되기 때문에 최외곽의 상면으로 연장되게 형성되는 연장부를 형성할 필요가 없게 되므로 판상의 플레이트로 형성된다. 따라서 절연케이스(48)의 형상이 단순화되어 셀 내부의 공간을 연장부의 길이만큼 확보할 수 있어 전지의 용량을 증대시키게 된다.
상기와 같은 구조를 가지는 각형리튬이차전지(30)의 조립과정을 도 2 및 도 4를 참조하여 설명한다.
먼저, 양극판(33), 세퍼레이터(34), 음극판(35) 그리고 다시 세퍼레이터(34) 순서으로 적층배치된 전극조립체(32)를 젤리-롤형으로 와인딩하여 와인딩된 전극조립체(32)는 각형 캔(31)에 삽입된다.
이처럼 전극조립체(32)가 삽입된 상태에서 상기 각형 캔(31)의 상단 양측면 부위를 소정의 프레스 기구를 사용하여 압축가공하여 상기 각형 캔(31)의 내부로 엠보싱 타입의 스토퍼(50)를 돌출형성시킨다.
그리고 상기 각형 캔(31)의 내측으로 전극조립체(32)의 상부에 절연케이스(48)를 안착시킨다. 이때, 절연케이스(48)는 폴리프로필렌 등으로 제조된 플랙시블한 재질이므로 절연케이스(48)의 형상을 일시적으로 변형시켜 각형 캔(41)의 양측 내측면에 형성된 스토퍼(50)와 간섭되지 않는 상태로 각형 캔(41)의 내부로 삽입한 후에 상기 전극조립체(32)의 상부에 안착시킨다.
이처럼 안착된 판상의 절연케이스(48)는 상기 전극조립체(32)의 상부에 안착되면 캔(31)의 양측 내측면에 돌출형성된 스토퍼(50)의 하면(50B)과 밀착된 상태가 되므로 절연케이스(48)의 가장자리가 스토퍼(50)의 하면(50B)과 밀착되어 접촉되는 부위가 밀폐성을 향상시키게 된다.
그리고 상기 캔(31)에 대하여 캡플레이트(41)를 용접하고, 상기 캔(31) 내부에는 전해액을 주입하게 된다. 즉, 상기 캡플레이트(41)의 일측에 형성된 전해액주입공(43)을 진공수단으로 밀폐시켜서 캔(31) 내부의 압력을 대기압보다 낮게 유지 시키는 진공공정을 거친 후에 상기 전해액주입공(43)을 통하여 적정량의 전해액을 주입하게 된다.
전해액 주입공정이 완료되면, 상기 전해액주입공(43)은 마개(49)를 용접하여 밀폐시키게 된다.
이처럼 캡조립체(40)의 캡플레이트(41)는 캔(31)의 좌,우측 스토퍼(50)의 지지면인 상면(50A) 위에 양단이 수평한 상태로 안착된 상태로 용접되고, 전극조립체(32)의 상부에 안착된 판상의 절연케이스(48)는 좌,우측 스토퍼(50)의 하면(50B)에 밀착된 상태로 설치되어 캡조립체(40)와 절연케이스(48)는 일정 간격을 유지하면서 음극단자(36) 및 양극단자(37)가 전기적으로 연결된 상태를 유지하게 된다.
도 5a 및 도 5b는 도 3a의 변형예를 보이기 위하여 캔을 부분적으로 도시한 평면도로서, 도 5a는 캔(31)의 내측면에 돌출된 스토퍼(51)가 원형으로 형성된 예이고, 도 5b는 스토퍼(52)의 단부가 선형으로 형성된 예를 나타낸 것이다. 이러한 스토퍼(51)(52)들의 형상은 다양한 실시예가 가능하며 이때, 캡조립체(40)의 양측 하단을 지지하기 위한 지지면을 확보할 수 있는 형상이면 어떠한 형상이라도 무방하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 각형 캔의 평면도로서, 각형 캔(31)의 네 변중 길이가 짧은 양측변의 내부에 스토퍼(50)를 형성함과 아울러 상대적으로 길이가 긴 두 변에도 스토퍼(50)를 추가로 형성할 수 있다. 이와 같이 추가로 형성되는 스토퍼에 의하여 캡조립체(40)를 지지하는 지지면적이 넓어지므로 안정적으로 캡조립체(40)가 지지되고 용접고정되어 결합력이 증대되는 효과가 있다. 물론, 길 이가 상대적으로 길게 형성된 두 변에만 스토퍼(50)를 형성하더라도 캡조립체(40)를 안착시켜 결합시킬 수 있음은 자명하다 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 각형리튬이차전지는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 이차전지의 캔 가공시 캡조립체의 안착부의 성형 공정을 배제하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
둘째, 캡조립체의 안착부에서 평면의 직진도가 확보되며, 캡조립체의 안착부가 형성되는 위치를 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 절연케이스를 평판형으로 형성하여 셀 공간의 확보를 통해 전지의 용량을 증대시키는 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 (10)

  1. 양극판과 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 권취되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체와;
    상기 전극조립체가 상단 개구부로 삽입되어 수용되는 캔과;
    상기 캔의 상단 개구부를 밀봉하는 캡조립체; 및
    상기 캔의 내부에 삽입되어 상기 전극조립체의 상부에 설치되는 절연케이스를 포함하는 리튬 각형 이차전지에 있어서,
    상기 캔의 상단부 내측면에서 단변측에 상기 캡조립체가 안착되는 위치를 확보하는 지지면을 갖는 엠보싱 성형된 스토퍼가 형성된 것을 특징으로 하는 각형 리튬 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지면은 상기 캡조립체의 양단부가 수평상태로 안착되도록 편평하게 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 리튬 이차전지.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스토퍼는 상기 캔의 네 변중 길이가 상대적으로 길게 형성된 전후면에 더 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 리튬 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스토퍼의 형상은 원형, 각형, 유선형 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 리튬 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연케이스는 판상의 플레이트로 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 리튬 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연케이스가 상기 스토퍼의 하면에 밀착되는 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 각형 리튬 이차전지.
  9. 삭제
  10. 삭제
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