KR100731426B1 - 캔형 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 캡 플레이트의 일측에 별도의 압착공정 없이 레이저 용접으로 안전벤트를 형성할 수 있도록 하는 캔형 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 캔형 이차전지는 두 전극, 세퍼레이터를 구비하여 이루어지는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 금속 캔, 상기 전극 조립체의 인입구가 되는 상기 금속 캔의 개구부를 마감하는 캡 조립체를 구비하여 이루어지며, 상기 캡 조립체에는 레이저 조사에 의해 형성된 안전벤트를 포함하는 캡 플레이트가 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

캔형 이차 전지 {Can type rechargeable battery}
도 1은 종래의 캔형 이차 전지의 일 예로써 리튬 이온 각형 이차 전지의 베어 셀 구성을 나타내는 상부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 베어셀 구성을 나타내는 상부 단면도이다.
도 3은 도 2의 캡 플레이트를 상방에서 본 평면도이다.
도 4는 도 2의 캡 플레이트의 안전벤트를 나타내는 확대 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11, 511: 캔 12, 512: 전극 조립체
13, 513: 양극판 14, 514: 세퍼레이터
15, 515: 음극판 16, 516: 양극 탭
17, 517: 음극 탭 18, 518: 절연 테이프
110, 610: 캡 플레이트 118, 618: 안전벤트
112, 612: 전해액 주입공 120, 620: 가스켓
130, 630: 전극 단자 140, 640: 절연 플레이트
150, 650: 단자 플레이트 190, 690:절연 케이스
191, 691: 탭용 홀 192, 692: 전해액 통과공
160, 660: 마개
본 발명은 캔형 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캡 플레이트의 일측에 별도의 압착공정 없이 레이저 용접으로 안전벤트를 형성할 수 있도록 하는 캔형 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성으로 인하여 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.
이들 이차 전지에서 베어셀(Bare Cell)의 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 통상 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 형성된다. 캔은 철재로 형성될 수 있으나 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성하게 되면 알루미늄의 가벼운 속성으로 전지의 경량화가 이루어질 수 있고, 고전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 유리한 점이 있다.
밀봉된 이차 전지 단위 셀의 전극 단자는 PTC 소자(positive temperature coefficient), 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호회로 기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치의 단자와 전기적으로 연결된다. 안전장치들은 양극 과 음극에 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과도한 충방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 경우 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지하게 한다.
안전장치와 단위 셀은 전기적으로 연결된 상태로 별도의 팩에 수납되거나, 용융된 수지로 사이 공간이 채워지고 피복되어 팩 전지를 이룬다.
도1은 종래의 캔형 이차 전지의 일 예로써 리튬 이온 각형 이차 전지의 베어 셀 구성을 나타내는 상부 단면도이다.
도 1을 참조하여 종래의 베어 셀 전지의 형성 방법을 설명하면, 베어 셀 상태의 각형 리튬 이온 전지는 대략 직육면체로 형성되는 각형 캔(11)과, 이 캔(11)의 내부에 수용되는 전극 조립체(12)와, 캔(11)의 개방된 상단과 결합하여 캔 상단을 밀봉하는 캡 조립체를 구비하여 이루어진다.
전극 조립체(12)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 양극판(13), 세퍼레이터(14), 음극판(15)의 적층체를 권취하거나 겹쳐서 형성한다.
양극판(13)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 탭(16)이 전기적으로 연결되어 있다. 음극판(15)에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 탭(17)이 접속되어 있다.
양극판(13) 및 음극판(15)과, 탭들(16,17)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 탭들(16,17)이 전극 조립체(12)로부터 인출되는 경계부에는 탭과 두 전극판(13,15) 사이의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 각각 감겨질 수 있다.
세퍼레이터(14)는 양극판 및 음극판(13)(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판간의 단락을 방지하는데 유리하다.
캔(11)은 대략 직육면체의 형상을 가진 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로 형성된다. 캔(11)의 개방된 상단을 통해 전극 조립체(12)가 수용되어 캔(11)은 전극 조립체 및 전해액의 용기 역할을 하게 된다. 캔(11)은 그 자체가 단자역할을 수행할 수 있다.
캡 조립체에는 캔(11)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(110)가 마련되어 있다. 캡 플레이트(110)의 중앙부에는 전극 단자(130)가 통과할 수 있도록 단자용 통공이 형성된다. 캡 플레이트(110)의 중앙부를 관통하는 전극 단자(130)와 캡 플레이트(110) 사이에는 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치된다.
캡 플레이트(110) 하면에 절연 플레이트(140)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(140)의 아랫면에는 단자 플레이트(150)가 설치되어 있다. 전극 단자(130)의 저면부는 단자 플레이트(150)와 전기적으로 연결되어 있다.
캡 플레이트(110) 하면에는 양극판(13)으로부터 인출된 양극 탭(16)이 용접되어 있으며, 전극 단자(130)의 하단부에는 음극판(15)으로부터 인출된 음극 탭(17)이 사행으로 접혀진 상태에서 용접된다.
한편, 전극 조립체(12)의 상면에는 전극 조립체(12)와 캡 조립체와의 전기적 절연을 위하고, 이와 동시에 상기 전극 조립체(12)의 상단부를 커버할 수 있도록 절연 케이스(190)가 설치된다. 절연 케이스(190)는 절연성을 가지는 고분자 수지, 가령 폴리프로필렌으로 된 것이 바람직하다. 절연 케이스(190)의 중앙부에는 음극 탭(17)이 통과할 수 있도록 탭용 홀(191)이 형성되고, 다른 측방에는 전해액 통과공(192)이 형성되어 있다. 전해액 통과공은 별도로 형성되지 않을 수 있다.
캡 플레이트(110)의 일측에는 전해액 주입공(112)이 형성되며, 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입공을 밀폐시키기 위하여 마개(160)가 설치된다. 마개(160)는 알루미늄이나 알루미늄 함유 금속으로 만든 볼형 모재를 전해액 주입공(112) 위에 놓고 기계적으로 전해액 주입공(112)으로 압입하여 형성한다. 밀봉을 위해 마개(160)는 전해액 주입공(112) 주변에서 캡 플레이트(110)에 용접된다. 캡 조립체는 캡 플레이트(110) 주변부를 캔(11) 개구부 측벽에 용접하여 캔에 결합된다.
이와 같이 구성된 캔형 이차 전지는 외부의 쇼트와 같은 과부하나 전해액의 전기분해에 의한 가스발생 및 열폭주현상 등으로 내압이 상승될 경우 폭발의 위험이 있기 때문에, 캡 조립체에 안전벤트(118)를 설치하여 안전성을 확보하고 있다.
이를 위하여, 캡 플레이트(110)의 일측에 기계적인 방법으로 홈을 형성하여 안전벤트(22)가 설치되고 있다. 이러한 안전벤트(22)는 전지 내부의 압력이 규정 이상으로 상승될 경우 파열되어서, 내압을 감소시키므로서 폭발을 방지한다. 그런데, 캡 조립체의 안전벤트(118)는 균일한 파열압력을 가지도록 제조하기 어려운 문제점이 있다. 예를 들어, 기계적인 방법에 의해 홈이 파여진 종래의 안전벤트는 그 홈의 깊이 및 형상에 차이가 있어, 내압에 따른 파단시 압력 오차가 발생되고, 작동이 불량하게 된다. 또한, 안전벤트가 기계적인 방법에 의해 20 내지 40㎛의 두께로 이루어지면, 내부압력이 상승되어 파단되기 전에 외부의 압력으로 먼저 파손될 우려가 있고, 얇은 두께 때문에 제조면에서의 여유도가 떨어질 수 있다.
그리고, 안전벤트를 형성하기 위해서는 기계적인 방법, 예를 들어 압착공정이 별도로 필요하기 때문에 제조공정이 복잡해지고 비용이 상승되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 캡 플레이트의 일측에 별도의 압착공정 없이 레이저 용접으로 안전벤트를 형성함으로써 제조공정을 단순화할 수 있는 캔형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 캔형 이차 전지는 두 전극, 세퍼레이터를 구비하여 이루어지는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 금속 캔, 상기 전극 조립체의 인입구가 되는 상기 금속 캔의 개구부를 마감하는 캡 조립체를 구비하여 이루어지며, 상기 캡 조립체에는 레이저 조사에 의해 형성된 안전벤트를 포함하는 캡 플레이트가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 캡 플레이트의 안전벤트는 상기 캡 플레이트의 일측에 폐곡선을 이루도록 연속으로 레이저를 조사하여 홈을 형성하여 이루어질 수 있다.
상기 폐곡선은 타원형 또는 스타디움형으로 이루어질 수 있다.
상기 안전벤트의 최소 두께를 이루는 파단부는 50 내지 150㎛의 두께로 이루어질 수 있다.
상기 캡 플레이트의 안전벤트의 파단부는 상기 레이저 조사에 의해 재질이 연화될 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 베어셀 구성을 나타내는 상부 단면도이고, 도 3은 도 2의 캡 플레이트를 상방에서 본 평면도이다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 베어 셀 전지의 형성 방법을 설명하면, 베어 셀 상태의 각형 리튬 이온 전지는 대략 직육면체로 형성되는 각형 캔(511)과, 이 캔(511)의 내부에 수용되는 전극 조립체(512)와, 캔(511)의 개방된 상단과 결합하여 캔 상단을 밀봉하는 캡 조립체를 구비하여 이루어진다. 캡 조립체에는 안전벤트(618)를 포함하는 캡 플레이트(610)가 더 형성된다.
전극 조립체(512)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 양극판(513), 세퍼레이터(514), 음극판(515)의 적층체를 권취하거나 겹쳐서 형성한다.
양극판(513)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 탭(16)이 전기적으로 연결되어 있다. 음극판(515)에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 탭(517)이 접속되어 있다.
양극판(513) 및 음극판(515)과, 탭들(516,517)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 탭들(516,517)이 전극 조립체(512)로부터 인출되는 경계부에는 탭과 두 전극판(513,515) 사이의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(518)가 각각 감겨질 수 있다.
세퍼레이터(514)는 양극판 및 음극판(513)(515)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판간의 단락을 방지하는데 유리하다.
캔(511)은 대략 직육면체의 형상을 가진 알미늄 혹은 알미늄 합금으로 형성된다. 캔(511)의 개방된 상단을 통해 전극 조립체(512)가 수용되어 캔(511)은 전극 조립체 및 전해액의 용기 역할을 하게된다. 캔(511)은 그 자체가 단자역할을 수행할 수 있다.
캡 플레이트(610)의 중앙부에는 전극 단자(630)가 통과할 수 있도록 단자용 통공이 형성된다. 캡 플레이트(610)의 중앙부를 관통하는 전극 단자(630)와 캡 플레이트(610) 사이에는 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(620)이 설치된다.
캡 플레이트(610) 하면에 절연 플레이트(640)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(640)의 아랫면에는 단자 플레이트(650)가 설치되어 있다. 전극 단자(630)의 저면부는 단자 플레이트(650)와 전기적으로 연결되어 있다.
캡 플레이트(610) 하면에는 양극판(513)으로부터 인출된 양극 탭(516)이 용접되어 있으며, 전극 단자(630)의 하단부에는 음극판(515)으로부터 인출된 음극 탭(517)이 사행으로 접혀진 상태에서 용접된다.
한편, 전극 조립체(512)의 상면에는 전극 조립체(512)와 캡 조립체와의 전기적 절연을 위하고, 이와 동시에 상기 전극 조립체(512)의 상단부를 커버할 수 있도록 절연 케이스(690)가 설치된다. 절연 케이스(690)는 절연성을 가지는 고분자 수지, 가령 폴리프로필렌으로 된 것이 바람직하다. 절연 케이스(690)의 중앙부에는 음극 탭(517)이 통과할 수 있도록 탭용 홀(691)이 형성되고, 다른 측방에는 전해액 통과공(692)이 형성되어 있다. 전해액 통과공은 별도로 형성되지 않을 수 있다.
캡 플레이트(610)의 일측에는 전해액 주입공(612)이 형성되며, 전해액이 주 입된 다음에 전해액 주입공을 밀폐시키기 위하여 마개(660)가 설치된다. 마개(660)는 알루미늄이나 알루미늄 함유 금속으로 만든 볼형 모재를 전해액 주입공(612) 위에 놓고 기계적으로 전해액 주입공(612)으로 압입하여 형성한다. 밀봉을 위해 마개(660)는 전해액 주입공(612) 주변에서 캡 플레이트(610)에 용접된다.
이와 같은 구성을 가지고 이루어진 캔형 이차 전지는 캡 플레이트(610)의 일측에 안전벤트(618)를 더 포함하여 이차 전지 내부의 기체의 방출에 의해 생성된 내부압력을 해소하도록 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 캡 플레이트(610)에 본 발명의 특징을 이루는 안전벤트(618)가 레이저 조사를 이용하여 형성된다.
안전벤트(618)는 캡 플레이트(610)의 일측에 레이저가 타원의 가장자리를 따라 조사되어 홈(619)을 형성함으로써 이루어진다. 이때, 홈(619)을 형성하기 위해 레이저를 조사할 경우, 캡 플레이트 상면의 홈 부분에 레이저 조사로 인해 잔류분이 형성될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 레이저는 심(seam) 용접방식으로 조사하여 잔류분을 제거시킬 수 있다. 여기서 안전벤트(618)를 이루기 위한 홈(619)은 스타움 형태와 같이 폐곡선을 이루는 형태로 이루어질 수 있고, 본 발명에서 홈의 형태를 한정하는 것은 아니다.
도 4는 도 2의 캡 플레이트의 안전벤트를 나타내는 확대 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 캡 플레이트에 형성된 안전벤트(618)는 레이저 조사에 의해 연화되어 전지 내부의 압력이 규정 이상으로 상승될 경우 파열될수 있다. 이렇게 레이저에 의해 연화된 안전벤트(618)의 파단부의 두께는 홈(619)과 홈 (619)에 대응되는 캡 플레이트(610)의 하면과의 거리로 이루어진다. 여기서, 안전벤트(618)의 파단부의 두께는 50 내지 150㎛이다. 이는, 안전벤트(618)의 두께가 50㎛이하이면, 안전벤트(618)가 내부 압력이 상승되어 파단되기 전에 외부의 압력으로 먼저 파손되는 경우를 방지하고, 안전벤트(618)의 두께가 150㎛이상이면 소정의 내부압력에서 파열되어야 하는데 파열되지 않는 경우를 방지하기 위함이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 안전벤트(618)의 파단부는 기존의 기계적 방법에 의해 형성된 안전벤트의 파단부보다 두꺼운 두께로 이루어 지지만 레이저 열에 의해 재질이 연화되어 압력에 대해 잘 파열될 수 있다. 이렇게 본 발명의 안전벤트(618)의 파단부는 두꺼워도 잘 파열되므로 두께조절 오차 한계가 넓어 제조가 용이하다.
상기와 같은 안전벤트(618)는 전해액의 주입구를 밀봉하기 위해 이용되는 전해액 주입구 마개의 레이저 용접과 동일한 공정에서 함께 형성될 수 있기 때문에 별도의 기계적인 방법, 예를 들어 압착공정이 필요 없다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 캔형 이차 전지는 캡 플레이트의 일측에 레이저 용접으로 형성된 안전벤트를 구비함으로써 종래의 캔형 이차 전지에서 기계적인 방법으로 안전벤트를 형성한 경우보다 일정한 홈의 깊이 및 형상을 가지게 되어 내압에 따른 파단시 압력 오차의 발생을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 캡 플레이트의 안전벤트는 종래의 캡 플레이트의 안전벤트보다 충분히 두껍게 형성되기 때문에 제조면에서도 좀더 여유도를 높일 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 캔형 이차 전지는 캡 플레이트의 안전벤트가 캡 플레이트의 전해액 주입구를 밀폐하기 위해 전해액 주입구 마개의 레이저 용접과 동일한 공정에서 함께 형성되기 때문에 종래의 캔형 이차 전지의 안전벤트 형성시 이용되는 압착공정을 별도로 필요로 하지 않는다. 이에 따라, 캔형 이차 전지의 제조공정이 단순해질 수 있고, 더불어 제조비용을 줄일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 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 (5)

  1. 두 전극, 세퍼레이터를 구비하여 이루어지는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 금속 캔, 상기 전극 조립체의 인입구가 되는 상기 금속 캔의 개구부를 마감하는 캡 조립체를 구비하여 이루어지며,
    상기 캡 조립체에는, 레이저 조사에 의해 최소 두께를 이루는 파단부가 50 내지 150㎛의 두께로 형성된 안전벤트가 포함되는 캡 플레이트가 구비되는 것을 특징으로 하는 캔형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트의 안전벤트는 상기 캡 플레이트의 일측에 폐곡선을 이루도록 연속으로 레이저를 조사하여 홈을 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 폐곡선은 타원형 또는 스타디움형인 것을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 캡 플레이트의 안전벤트의 파단부는 상기 레이저 조사에 의해 재질이 연화됨을 특징으로 하는 캔형 이차 전지.
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