KR100739950B1

KR100739950B1 - 원통형 이차전지

Info

Publication number: KR100739950B1
Application number: KR1020050061404A
Authority: KR
Inventors: 김대규
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2007-07-16
Also published as: KR20070006248A

Abstract

본 발명의 원통형 이차전지는 전극조립체의 상단 윗부분의 캔 외벽에 내측으로 가압된 비딩부가 형성되며, 가스켓이 비딩부를 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 캔과 가스켓 사이의 밀폐성을 높여 전해액 누출을 확실히 방지할 수 있고, 나아가 비딩부와 전극조립체 상단 사이의 빈 공간을 줄이거나 없앰으로써 외부충격에 의한 전극조립체의 유동을 방지하여 전극조립체의 손상 및 전극조립체와 전극탭 사이의 결합 손상을 방지할 수 있다.

Description

원통형 이차전지 {CYLINDER TYPE SECONDARY BATTERY}

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 정단면도,

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따라 비딩부를 감싸는 가스켓을 구비한 원통형 이차전지를 개략적으로 나타내는 확대 단면도,

도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따라 가스켓의 하단을 받쳐주는 보조 비딩부를 구비한 원통형 이차전지를 개략적으로 나타내는 확대 단면도,

도 4 는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 가스켓의 하단이 전극조립체의 상단과 접촉하는 원통형 이차전지를 개략적으로 나타내는 확대 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 원통형 캔 13a, 13b: 상·하절연판

15: 비딩부 17: 보조 비딩부

20: 전극조립체 30: 가스켓

80: 캡조립체

본 발명은 원통형 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비딩부를 감 싸도록 가스켓을 형성함으로써 캔과 가스켓 사이의 밀폐성을 높인 원통형 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.

일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와 고분자전해질 전지로 분류되며, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 리튬이차전지의 경우, 액체전해질을 사용하는 경우에도 리튬과 수분(H₂O)의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 비수성 전해질을 사용함에 따라 리튬이온전지는 충전시 물의 분해전압의 지배를 받지 않으므로 상대적으로 높은 전지 전압을 가질 수 있다. 액체전해질은 리튬염이 유기용매에서 해리된 상태를 가진다. 리튬염이 용해되는 용매로는 대개 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 또는 다른 알킬기 함유 카보네이트나 이와 유사한 유기 화합물이 사용된다.

고체전해질을 사용하는 리튬이차전지에서는 전해액의 누출 문제가 없을 것이나, 액상의 전해질을 사용하는 리튬이온전지의 경우 전해액의 누출을 방지하는 것은 화학전지 일반의 경우와 같이 중요한 문제가 되고 있다. 특히, 리튬이온전지가 전원으로 사용되는 휴대용 전화기, 컴퓨터, 개인정보 단말기, 캠코더 등이 고가 정밀기기임을 감안할 때 누출 방지의 문제는 더욱 중요해진다.

원통형 이차전지는 전극조립체와, 원통형 캔과, 캡조립체와, 가스켓을 포함하여 이루어진다.

이러한 원통형 이차전지의 구조 및 제조과정을 개략적으로 살펴보면, 전극조립체가 원통형 캔에 수용되고, 전극조립체의 캔 내 유동을 막기 위한 비딩부가 캔에 형성되며, 전해액이 주입된다. 캔의 개구부 내측 벽에 절연 가스켓이 설치되고, 가스켓 내측으로 캔의 개구부를 마감하는 캡조립체가 설치된다.

그리고, 가스켓 내측에 투입된 캡업 등을 마개로 원통형 캔의 개구부 벽체에 내측 및 아래쪽으로 압력을 가해 캔을 봉합하는 클림핑 작업이 이루어진다. 또한, 전지의 외부에 외장재를 입히는 튜빙(tubing) 작업이 이루어짐으로써 전지가 완성된다.

액상의 전해질을 사용하는 일반의 화학전지와 마찬가지로 전해액이 주입된 원통형 이차전지에서도 전지 내부의 전해액이 외부로 누출되는 것을 방지할 필요가 있다. 이를 위해 종래에는 상기 비딩부 위에 가스켓을 얹어 놓고, 가스켓 내부에 캡조립체를 위치시킨 후 상기 클림핑 작업을 통해 캡조립체와 캔 사이를 밀폐하였 다.

그러나, 상기와 같은 노력에도 불구하고 가스켓과 캔 사이의 경로를 따라 전해액이 누출되는 불량이 발생하는 문제가 있어 왔으며, 이를 개선하기 위한 여러가지 노력이 경주되고 있다.

한편, 전극조립체의 캔 내 유동을 막기 위해 전극조립체 상단의 윗부분 캔의 외벽에 비딩부가 형성되지만, 그럼에도 불구하고 비딩부와 전극조립체의 상단 사이에는 약간의 빈 공간이 발생할 수 있다.

이에 따라, 전지의 낙하 또는 진동시 전극조립체가 상·하로 유동할 수 있고, 이러한 유동으로 인해 전극조립체가 손상되거나, 혹은 전극조립체와 전극탭 사이의 결합이 손상될 수도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 비딩부를 감싸도록 가스켓을 형성함으로써 캔과 가스켓 사이의 밀폐성을 높이는 데 그 목적이 있다. 나아가, 비딩부와 전극조립체 상단 사이의 빈 공간을 줄이거나 없앰으로써 외부충격에 의한 전극조립체의 유동을 방지하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 원통형 이차전지는,

서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 이 전극조립체가 수용되는 캔; 이 캔의 상부에 조립되는 캡조립체; 및 캡조립체와 캔의 상부 사이에 개재된 채 압착되어 캡조립체와 캔 사이의 절연 및 밀폐를 유지시키는 가스켓;을 포함하는 원통형 이차전지에 있어서,

전극조립체의 상단 윗부분의 캔 외벽에 내측으로 가압된 비딩부가 형성되며, 가스켓이 비딩부를 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 원통형 이차전지에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 정단면도이다.

도면을 참조하면, 원통형 이차전지는 전극조립체(20)와, 전극조립체(20)를 수용하는 캔(10)과, 이 캔(10)과 결합되는 캡조립체(80)와, 캔(10)의 상부와 캡조립체(80) 사이에 개재되는 가스켓(30)을 포함하여 이루어진다.

전극조립체(20)는 통상 전기용량을 높이기 위해 서로 다른 두 전극(25)을 넓은 판형으로 형성한 뒤, 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(21, 23)를 이들 두 전극 사이 및 두 전극 아래쪽 혹은 위쪽에 위치시켜 적층하고, 원형으로 권취하여 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 만든다. 두 전극판은 각각 알미늄과 구리로 된 금속 포일 혹은 금속 메쉬로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어진다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 이루어진다. 용매는 이후의 전극형성 공정에서 제거된다. 전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재한다. 무지부에는 한 전극판에 하나씩 전극탭(27, 29)이 설치되며, 전극탭은 하나가 원통형 캔의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출되도록 형성될 수도 있고, 두 탭 모두 개구부 방향인 위쪽으로 인 출되도록 형성될 수도 있다.

캔(10)은 도시된 바와 같이 원통의 형상을 가지고 있고, 알미늄 또는 알미늄 합금 같은 경량의 전도성 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성된다. 이 원통형 캔(10) 내에 하절연판(13b)과 전극조립체(20)가 순서대로 설치되고, 전극조립체(20) 위에 상절연판(13a)이 더 설치될 수도 있다. 이때, 젤리롤의 풀림을 방지하고 내부가스의 이동통로의 역할을 수행하는 센터핀(미도시)이 젤리롤 중앙의 빈 공간에 삽입될 수도 있다. 아래쪽으로 인출되는 전극탭(29)은 젤리롤형 전극조립체(20)의 하면과 평행하도록 절곡되고, 원통형 캔(10)의 바닥면에 용접된다. 이때 전극조립체(20)의 하면이 캔(10)의 바닥면과 단락되지 않도록 절곡된 전극탭(29) 부분과 전극조립체(20)의 하면 사이에는 하절연판(13b)이 위치하도록 한다. 상절연판(13a)은 젤리롤과 캡조립체(80) 사이를 절연시키는 역할을 수행한다. 상절연판(13a)이 있는 경우에는 상절연판(13a)의 상단 바로 윗부분의 캔(10)의 외주를 따라, 상절연판(13a)이 없는 경우에는 전극조립체(20)의 상단 바로 윗부분의 캔(10)의 외주를 따라 외부에서 안쪽으로 가압하여 비딩부(15)를 형성함으로써 전극조립체(20)의 유동을 방지할 수도 있다.

또한, 원통형 캔에는 전해액이 주입된다. 이 전해액은 충·방전시 전극(25)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기용매류의 혼합물인 비수질계 유기전해액일 수도 있고, 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상기 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.

캡조립체(80)는 도시한 바와 같이 벤트(40), 전류차단기(50), PTC(60) 및 캡업(70)이 아래쪽부터 순서대로 위치한다. 캡조립체(80)의 가장 아래쪽에는 벤트(40)가 위치하는데, 이 벤트(40)의 중앙부는 아래쪽으로 볼록하게 돌출되어 전극탭(27)과 전기적으로 접속되는 전기접속부(42)를 가지고 있다. 벤트(40) 위쪽에는 벤트(40)의 전기접속부(42)가 내부압력에 의해 위로 볼록하게 변형됨으로써 파단되도록 이루어진 전류차단기(CID: Current Interrupt Device)(50)가 설치되어 있다. 이 전류차단기(50) 위쪽에는 PTC(Positive Thermal Coefficient)(60)가 설치되어 있는데, 이 PTC는 전지의 과열에 의해 전지 내 전류의 흐름을 차단한다. PTC 위쪽에는 외부와 전기 접속되도록 볼록하게 형성된 전극단자를 갖는 캡업(Cap Up)(70)이 설치되어 있다.

캔(10)의 상부와 캡조립체(80) 사이에는 가스켓(30)이 위치하여 캔(10)과 캡조립체(80) 사이를 밀폐시키고 절연시키는 역할을 수행하는데, 이 가스켓(30)에 관하여 보다 상세하게는 다음과 같다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따라 비딩부를 감싸는 가스켓을 구비한 원통형 이차전지를 개략적으로 나타내는 확대 단면도이다.

도면을 참조하면, 전극조립체(20)의 상단 윗부분의 캔(10) 외벽에 내측으로 가압된 비딩부(15)가 형성되며, 가스켓(30)은 비딩부(15)를 감싸도록 형성되어 있다. 이러한 가스켓(30)은 비딩부(15)에 밀착되도록 비딩부(15)와 대응되는 부위에서 비딩부(15)와 상보적인 형상을 갖는 것이 바람직하다.

종래의 가스켓은 단순히 비딩부 위에 얹혀진 상태에서 밀폐를 위한 클림핑 작업이 이루어지므로 비딩부와 접하는 가스켓의 구조가 변형될 위험이 있었다. 이에 반해, 본 발명에 따라 비딩부(15)를 감싸도록 가스켓(30)을 형성함으로써 캔(10)과 가스켓(30) 사이의 밀폐성을 높일 수가 있게 된다.

나아가, 가스켓(30)과 캔(10) 사이에 접착층(미도시)이 개재될 수도 있다. 이러한 접착층으로서 접착제나 양면테이프 등이 사용될 수 있다. 이에 따라, 캔(10)과 가스켓(30) 사이의 밀폐성을 더욱 높일 수 있어 전해액의 누출을 보다 확실하게 방지할 수 있게 된다.

이러한 가스켓은 기존의 PET(Poly-Ethylene-Terephthalate)와 같은 재질로 이루어질 수도 있지만, 고무 재질 또는 실리콘 재질로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 외부충격에 의한 전극조립체(20)의 진동을 흡수하여 전지의 안정성을 높일 수 있게 된다.

도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따라 가스켓의 하단을 받쳐주는 보조 비딩부를 구비한 원통형 이차전지를 개략적으로 나타내는 확대 단면도이다.

도면을 참조하면, 전극조립체(20)의 상단 윗부분의 캔(10) 외벽에 내측으로 가압된 비딩부(15)가 형성되며, 가스켓(30)은 비딩부(15)를 감싸도록 형성되어 있다. 그리고, 비딩부(15) 하부에 가스켓(30)의 하단을 받쳐주는 보조 비딩부(17)가 형성되어 있다.

이 보조 비딩부(17)는 가스켓(30)의 하단이 캔(10)과 더욱 밀착될 수 있도록 하고, 클림핑 작업이나 외부충격 등에 의해 캔(10)에 밀착된 가스켓(30)의 구조가 변하지 않도록 도와준다.

또한, 가스켓(30)과 캔(10) 사이에 접착층(미도시)이 개재될 수도 있다. 이에 따라, 캔(10)과 가스켓(30) 사이의 밀폐성을 더욱 높일 수 있어 전해액의 누출을 보다 확실하게 방지할 수 있게 된다.

도면을 참조하면, 전극조립체(20)의 상단 윗부분의 캔(10) 외벽에 내측으로 가압된 비딩부(15)가 형성되며, 가스켓(30)은 비딩부(15)를 감싸도록 형성되어 있다. 그리고, 가스켓(30)의 하단이 전극조립체(20)의 상단과 접촉하도록 이루어져 있다.

이에 따라, 비딩부(15)와 전극조립체(20) 상단 사이의 빈 공간을 없앰으로써 외부충격에 의한 전극조립체(20)의 유동을 방지할 수 있게 된다.

한편, 전극조립체(20) 위에 상절연판(미도시)이 위치한다면, 가스켓(30)의 하단과 상절연판이 접촉하도록 이루어질 수도 있다. 이에 따라, 비딩부(15)와 상절연판 사이의 빈 공간을 없앰으로써 외부충격에 의한 전극조립체(20)의 유동을 방지할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 원통형 이차전지는 비딩부를 감싸도록 가스켓을 형성함으로써 캔과 가스켓 사이의 밀폐성을 높여 전해액 누출을 확실히 방지할 수 있다. 나아가, 비딩부와 전극조립체 상단 사이의 빈 공간을 줄이거나 없앰으로써 외부충격에 의한 전극조립체의 유동을 방지하여 전극조립체의 손상 및 전극조립체와 전극탭 사이의 결합 손상을 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 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

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서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 상기 캔의 상부에 조립되는 캡조립체; 및 상기 캡조립체와 상기 캔의 상부 사이에 개재된 채 압착되어 상기 캡조립체와 상기 캔 사이의 절연 및 밀폐를 유지시키는 가스켓;을 포함하고,

상기 전극조립체의 상단 윗부분의 상기 캔의 외벽에 내측으로 가압된 비딩부가 형성되고, 상기 가스켓은 상기 비딩부를 감싸도록 연장형성되며,

상기 비딩부 하부에 상기 가스켓의 하단을 받쳐주는 보조 비딩부가 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
삭제
삭제
제 3 항에 있어서,

상기 가스켓과 상기 캔 사이에 접착층이 개재되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
제 3 항에 있어서,

상기 가스켓은 고무 재질이거나 실리콘 재질인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.