KR100759395B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차전지는 전극군을 안정적으로 지지하고, 격벽을 용이하게 고정할 수 있도록 양극과 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되며, 내면에 볼록부가 형성되는 케이스와, 상기 케이스와 결합되는 캡 플레이트, 및 상기 전극군과 전기적으로 연결되어 케이스의 외측으로 돌출되는 전극단자를 포함한다.

이차 전지, 판부재, 절연부, 홈부

Description

이차 전지{SECONDARY BATTERY}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.

도 3은 도 2에서 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 자른 이차 전지의 단면도이다.

도 4는 도 2에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 자른 이차 전지의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서 보다 상세하게는 케이스의 구조를 개선한 이차전지에 관한 것이다.

이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 이차 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 이차 전지가 직렬로 연결되어 대용량의 이차 전지 모듈을 형성한다.

또한, 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위 전지라 칭한다)로 이루어진다.

상기 각각의 단위 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군, 상기 전극군이 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트, 상기 캡 플레이트에 삽입되고 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 양극 단자와 음극 단자를 포함한다.

상기 전극군은 양극과 음극 사시에 세퍼레이터가 개재된 상태로 권취된 젤리-롤 형상으로 이루어지거나, 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 개재되어 이들이 순차적으로 적층된 구조로 이루어질 수 있다.

여기서 상기 케이스는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있다. 그리고 각형의 전지는 일측이 개구된 육면체 형태의 케이스와 상기 케이스와 결합되어 상기 케이스를 밀폐하는 캡 플레이트와 캡 플레이트에 설치되는 외부 단자로 이루어진다.

그러나 상기한 종래의 단위 전지는 일반적으로 전극 단자에 설치되는 개스킷 및 너트의 두께가 두꺼워 케이스의 내측 폭이 전극군의 두께보다 크게 형성된다.

따라서 전극군과 케이스 사이에 간극이 발생하고, 이러한 간극으로 인하여 케이스가 전극군을 지지하지 못하므로 전극군 사이가 벌어지는 문제가 발생한다. 이와 같이 전극군 사이에 간극이 발생하면, 전극 사이에서 이온이 원활하게 이동하지 못하여 단위 전지의 출력이 저하되는 문제가 발생한다.

특히, 하이브리드 전기 자동차(HEV ; Hybrid Electric Vehicle) 등에 사용되는 대용량의 전지 모듈에는 많게는 수십 개의 단위 전지가 장착되는데, 각 단위 전지에 설치된 전극군 사이가 벌어지게 되면 전지 모듈 전체의 성능이 저하되어 적정한 출력을 낼 수 없는 문제가 발생한다.

한편, 단위 전지가 모여 전지 모듈을 형성할 때, 단위 전지 사이에는 단위 전지들을 이격시키는 격벽이 설치되는데, 전지 모듈에 진동이 가해지면 상기 격벽이 단위 전지 사이에서 이동하여 정위치를 이탈하는 문제가 발생한다. 이와 같이 격벽이 정위치를 이탈하면 단위 전지에 가해지는 체결압이 불안정해지고 격벽을 통한 냉각 효율이 저하된다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 케이스의 구조를 개선하여 전극군을 안정적으로 지지할 수 있는 이차 전지를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 케이스의 구조를 개선하여 격벽을 용이하게 고정할 수 있는 이차 전지를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이차전지는 양극과 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군과, 상기 전극군 이 내장되며, 내측면에 볼록부가 형성되는 케이스와, 상기 케이스와 결합되는 캡 플레이트, 및 상기 전극군과 전기적으로 연결되어 케이스의 외측으로 돌출되는 전극단자를 포함한다.

상기 볼록부는 케이스의 외측에서 내측으로 함몰된 구조로 이루어질 수 있다.

상기 볼록부는 전극군의 넓은 전면을 지지할 수 있도록 전극군의 넓은 전면과 대향하는 면에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 볼록부는 상기 전극군의 평평한 외측면과 대향하는 면에 형성될 수 있다.

상기 볼록부가 형성된 케이스의 외측면에는 오목부가 형성될 수 있다.

상기 오목부에는 전지 격벽이 설치될 수 있다.

상기 오목부의 깊이는 전지 격벽의 두께와 대응되는 크기로 이루어질 수 있다.

상기 볼록부의 폭은 상기 전극군에 설치된 세퍼레이터의 폭보다 크고, 상기 케이스의 폭보다 작게 이루어질 수 있다.

상기 볼록부의 높이는 상기 전극군에서 직선부분의 길이보다 크고, 케이스의 높이보다 작게 이루어질 수 있다.

여기서 상기 이차 전지(또는 전지 모듈)는 HEV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 전지를 도시한 단면도이다. 상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 단위 전지는 양극(11)과 음극(12) 사이에 절연체인 세퍼레이터(13)를 개재하여 권취된 전극군(15)과, 상기 전극군(15)을 수용할 수 있도록 일측에 개방단을 갖는 케이스(14)와 상기 케이스(14)의 개방단에 결합되어 케이스(14)를 밀폐하는 캡 플레이트(17), 및 상기 캡 플레이트(17)에 설치되어 전극군(15)과 전기적으로 연결되는 양극 단자(21)와 음극 단자(22)를 포함한다.

그리고 상기 양극(11) 및 음극(12)은 박판의 금속 호일로 이루어진 집전체에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않은 영역인 무지부(11a, 12a)를 포함한다. 상기 무지부(11a, 12a)는 고출 이차전지의 경우 양극(11) 및 음극(12)의 길이 방향을 따라 양극(11)의 일측단에는 양극 무지부(11a)가 형성되고 음극(12)이 일측단에는 음극 무지부(12a)가 형성된다. 따라서 코팅부는 전극군의 중앙에 위치하게 되며, 코팅부가 형성된 중앙부분에 세퍼레이터(13)가 설치된다.

그리고 상기 전극군(15)은 양극(11)과 음극(12) 사이에 세퍼레이터(13)가 개재된 상태로 권취되어 납작하게 눌려진 젤리-롤 형상으로 이루어진다. 다만 이러한 전극군(15)의 형상은 본 발명의 일 실시예에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 상기 전극군(15)은 양극(11)과 음극(12) 사이에 세퍼레이터 (13) 개재되어 이들이 순차적으로 적층된 구조로 이루어질 수도 있다.

그리고 상기 양극 무지부(11a)에는 양극단자(21)가 음극 무지부(12a)에는 음극 단자(22)가 각각 부착되어 외부로 전류를 유도한다. 그리고 상기 전극 단자(21, 22)는 캡 플레이트(17)를 관통하여 외측으로 돌출되며, 캡 플레이트(17)와 전극 단자(21, 22) 사이에는 절연을 위한 개스킷(18)이 설치된다. 그리고 외측으로 돌출된 전극 단자(21, 22)에는 전극 단자(21, 22)를 위쪽에서 지지할 수 있도록 너트(19)가 체결된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 케이스(14)는 적어도 일측 표면에서 함몰 형성된 오목부(14a)를 포함한다. 상기 오목부(14a)는 전극군(15, 도 1에 도시)을 안정적으로 지지할 수 있도록 전극군(15)의 단면 형상과 대응되는 단면 형상을 갖는 사각 홈으로 이루어지며, 전극군(15)의 넓은 전면에 밀착될 수 있도록 케이스(14)의 넓은 전면에 형성된다. 또한, 상기 오목부(14a)는 전극군(15)을 안정적으로 지지할 수 있도록 전극군(15)이 위치하는 부분과 대응되는 부분에 형성된다.

도 3은 도 2에서 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 잘라 본 단위 전지의 횡단면도이다. 상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전극군(15)은 양극(11)과 음극(12) 사이에 세퍼레이터(13)를 개재하여 젤리-롤 형태로 권취된 구조로 이루어진다.

그리고 케이스(14)의 표면에는 외측에서 내측으로 함몰된 부분이 형성되어, 케이스(14)의 내측에는 볼록부(14b)가 형성되고 케이스(14)의 외측에는 오목부(14a)가 형성된다.

상기 볼록부(14b)는 케이스의 양쪽면에 형성되고, 상기 볼록부(14b)는 전극군(15)의 양면을 지지하는 구조로 형성된다.

상기 볼록부(14b)의 폭(W)은 전극군(15)에 설치된 세퍼레이터(13)의 폭(W1)보다는 크고 케이스(14)의 폭(W2)보다는 작게 이루어진다. 볼록부(14b)의 폭(W)이 세퍼레이터(13)의 폭(W1)보다 작게 형성되면 양극(11)과 음극(12), 및 세퍼레이터(13)가 적층된 부분이 볼록부(14b)에 의해 지지되지 아니하여 적층된 부분에서 틈새가 생길 염려가 있으며, 볼록부(14b)는 케이스(14)의 표면에 형성되기 위해서는 볼록부(14b)의 폭(W)이 케이스(14)의 폭(W2)보다 작게 이루어져야 한다.

따라서 상기 전극군(15)보다 큰 폭으로 이루어진 볼록부(14b)가 상기 전극군(15)을 지지하므로 전극군(15)이 팽창하는 경우에도 전극군(15) 사이가 벌어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 볼록부(14b)가 전극군(15)보다 큰 면적으로 이루어져 케이스(14) 내에서 전극군(15)이 움직이는 경우에도 상기 볼록부(14b)에서 크게 이탈되지 아니하므로 상기 전극군(15)을 안정적으로 지지할 수 있다.

도 4는 도 2에서 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 잘라 본 단위 전지의 종단면도로서, 케이스(14)의 양쪽 면에 외측에서 내측으로 함몰된 부분이 형성되어 케이스(14)의 내측에는 돌출된 볼록부(14b)가 형성되고, 케이스(14)의 외측에는 오목부(14a)가 형성된다.

상기 볼록부(14b)의 높이(H)는 전극군(15)의 타원형태의 단면에서 직선부의 길이(H1)보다 크고, 케이스(14)의 높이(H2)보다 작은 구조로 이루어진다. 볼록부(14b)의 높이(H)가 전극군(15)의 타원형태의 단면에서 직선부의 길이(H1)보다 작게 형성되면 전극군(15)이 케이스(14)에서 안정적으로 지지되지 아니하여 전극군의 내부에 틈새가 생길 염려가 있으며, 볼록부(14b)는 케이스(14)의 표면에 형성되기 위해서는 볼록부(14b)의 높이(H)는 케이스(14)의 높이(H2)보다 작게 이루어져야 한다.

따라서 볼록부(14b)가 전극군(15)보다 큰 높이로 이루어지므로 상기 볼록부(14b)는 전극군(15)을 안정적으로 지지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단위 전지를 도시한 사시도이다. 상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지는 케이스(14)의 양쪽 면에 끼워지는 전지 격벽(30)을 포함한다. 상기 전지 격벽(30)은 복수개의 단위 전지들이 모여 전지 모듈을 형성할 때, 단위 전지들을 이격시켜서 냉각 매체가 유통되는 통로를 형성한다.

본 실시예에 따른 전지 격벽(30)은 판부(31)와 상기 평판부(31)에서 돌출 형성된 돌기부(32)로 이루어진다. 상기 돌기부(32)는 복수개가 판부(31)에 고르게 분포된 구조로 형성된다. 또한 상기 돌기부(32)는 이웃하는 단위 전지에 형성된 돌기부(32)와 서로 맞닿을 수 있도록 서로 대응되는 위치에 배치되거나, 서로 엇갈리도록 배치될 수 있다.

다만 이러한 전지 격벽(30)의 형상은 본 발명의 일 예에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 상기 전지 격벽(30)은 다양한 형상으로 이루 어질 수 있다.

그리고 상기 판부(31)는 케이스(14)의 외면에 형성된 오목부(14a)에 끼워질 수 있도록 상기 오목부(14a)와 대응되는 형상으로 이루어진다.

즉, 본 실시예에 따른 판부(31)의 두께는 오목부(14a)의 깊이와 대응되는 크기로 이루어지고, 판부(31)의 단면 넓이도 오목부(14a)와 대응되는 크기로 이루어진다.

따라서 전지 격벽(30)은 별도의 지지부재에 의하지 아니하고도 오목부(14a)에게 끼워져 단위 전지 사이에서 안정적으로 고정될 수 있다. 또한, 오목부(14a)가 전지 격벽(30)에 의해 지지되므로 단위 전지가 충전과 방전을 되풀이함으로써 단위 전지 내부에서 가스가 발생하여 케이스(14)가 팽창하는 경우에도, 오목부(14a)가 전지 격벽(30)에 의해 지지되어 전극군(15)을 안정적으로 지지할 수 있다.

본 발명의 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있으며 반드시 그 용도가 이에 한정되는 것은 아니다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 단위 전지의 내부에 볼록부가 형성되어 전극군에 균일한 가압력이 작용되므로 전극군 사이가 이격되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 케이스의 외측에 오목부가 형성되고, 오목부에 전지 격벽이 설치되어 전지 격벽이 단위 전지 사이에서 안정적으로 고정될 수 있다.

그리고 오목부가 전지 격벽에 의해 지지되어 오목부가 변형되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 오목부와 일체로 형성된 볼록부가 전극군을 지지하여 전극군의 형상이 안정적으로 유지될 수 있다.

Claims (12)

1. 양극과 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군;

   상기 전극군이 내장되며, 내면에 볼록부가 형성되는 케이스;

   상기 케이스와 결합되는 캡 플레이트; 및

   상기 전극군과 전기적으로 연결되어 케이스의 외측으로 돌출되는 전극단자;

   를 포함하고,

   상기 볼록부가 형성된 케이스의 외면에는 오목부가 형성되며,

   상기 오목부에는 상기 케이스와 접하여 열을 방출하는 전지 격벽이 끼움 결합되는 이차 전지.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 볼록부는 상기 케이스의 외측에서 내측으로 함몰된 구조로 이루어지는 이차 전지.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 볼록부는 상기 전극군의 넓은 전면과 대향하는 면에 형성되는 이차 전지.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 볼록부는 상기 케이스의 대향하는 양면에 형성되는 이차 전지.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 오목부의 깊이는 상기 전지 격벽의 두께와 대응되는 크기로 이루어지는 이차 전지.
8. 삭제
9. 제1 항에 있어서,

   상기 전지 격벽은 평판부와 돌기부로 이루어지고, 상기 평판부는 상기 오목부의 단면과 대응되는 단면 형상으로 이루어지는 이차 전지.
10. 양극과 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군;

    상기 전극군이 내장되며, 내면에 볼록부가 형성되는 케이스;

    상기 케이스와 결합되는 캡 플레이트; 및

    상기 전극군과 전기적으로 연결되어 케이스의 외측으로 돌출되는 전극단자;

    를 포함하고,

    상기 볼록부의 폭을 W라 하고, 상기 세퍼레이터의 폭을 W1이라 하며, 상기 케이스의 폭을 W2라 할 때, 다음의 조건을 만족하는 이차 전지.

    W1≤W≤W2
11. 양극과 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군;

    상기 전극군이 내장되며, 내면에 볼록부가 형성되는 케이스;

    상기 케이스와 결합되는 캡 플레이트; 및

    상기 전극군과 전기적으로 연결되어 케이스의 외측으로 돌출되는 전극단자;

    를 포함하고,

    상기 볼록부의 높이를 H라 하고, 상기 전극군의 외주를 이루는 직선부의 길이를 H1이라 하며, 상기 케이스의 높이를 H2라 할 때, 다음의 조건을 만족하는 이차 전지.

    H1≤H≤H2
12. 제1 항에 있어서,

    상기 이차 전지는 모터 구동용인 이차 전지.

Images