KR100770114B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

전극 탭이 형성된 두 전극과 두 전극 사이에 개재되어 두 전극 사이의 단락을 방지하는 세퍼레이터를 가지는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 용기형 캔, 캔의 개구부에서 가스켓을 개재하여 캔을 마감하는 캡 어셈블리를 구비하는 이차 전지에 있어서, 전극 탭 가운데 하나가 캔 저면에 적어도 폐곡면이나 원주의 일부에 해당하는 형태의 용접부를 가지도록 전기접속되는 특징으로 하는 이차 전지가 개시된다. 이때, 용접부는 젤리롤형 전극 조립체의 중공에 해당하는 영역과 겹쳐 캔 저면과 접속되도록 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 용접부가 넓어져 용접 강도가 높아지고, 외부 충격에 의해 전극 조립체의 전극 탭이 캔과 떨어져 전지를 사용할 수 없게 되는 문제를 방지할 수 있다.

Description

이차 전지{cylinder type rechargeable battery}

도1 및 도2는 종래의 원통형 이차 전지의 일 예에 대한 구조를 나타내는 정단면도 및 분해 사시도,

도3 종래에 원통형 이차 전지에서 전극 탭이 캔 저면에 용접되는 형태를 나타내는 공정 단면도,

도4는 본 발명에 따른 원통형 이차 전지에서 전극 탭이 캔 저면에 용접되는 형태를 나타내는 공정 단면도,

도5a 내지 도5c는 본 발명의 이차전지의 용접부 혹은 그에 대응하는 용접봉의 끝단 형태를 나타내는 평면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 캔 15: 비드

13a,13b: 절연판 20: 전극 조립체

21,23: 세퍼레이터 25: 전극

27,29: 전극 탭 30: 가스켓

40: 벤트 50:CID(current interrupt device)

60: PTC(positive thermal coefficient)

70: 캡업(Cap up) 80: 캡 어셈블리

291: 용접점 115,125: 용접봉

127,127',127": 용접부

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차 전지에서의 탭과 캔의 결합 구조에 관한 것이다.

이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능하다는 이점으로 인하여 근래에 그 개발이 급속히 이루어지고, 사용도 급속히 증가하고 있다. 이차 전지는 전극 활물질에 따라 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬이온(Li-ion) 전지 등으로 나뉠 수 있다.

리튬 이차 전지의 경우, 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 경우와 고체 폴리머 전해질 혹은 겔 상의 전해질을 사용하는 경우로 나뉠 수 있다. 리튬 이차 전지는 또한 전극 조립체가 수용되는 용기의 형태에 따라 캔형과 파우치형으로 나눌 수 있다.

캔형 리튬 이차 전지에서는 전극 조립체가 알미늄 함유 금속 등 금속으로 딥 드로잉(deep drawing) 등 방법을 통해 형성한 캔에 내장된다. 통상적으로 캔형 이차 전지 구조에서는 액체 전해질을 사용하게 된다.

한편, 캔형 이차 전지는 형태에 따라 각형과 원통형 전지로 나뉠 수 있다. 각형은 용기를 직육면체형으로 혹은 직육면체의 측벽 모서리에 곡률을 주어 얇게 성형한 것이다. 원통형은 비교적 대용량의 전자 전기 기기에 많이 사용되며, 복수 개가 결합되어 전지 팩을 형성하는 형태로 많이 사용된다.

도1 및 도2는 종래의 원통형 리튬 이차 전지의 일 예에 대한 구조를 나타내는 정단면도 및 분해 사시도이다.

도1 및 도2를 참조하여 원통형 이차 전지의 형성방법을 살펴보면, 먼저, 직사각의 판형으로 형성된 두 전극(25)과 이들 전극 사이에 개재되어 두 전극 사이의 단락을 방지하는 세퍼레이터가(21,23) 적층되고, 와형으로 권취되어 젤리롤로 통칭되는 전극 조립체(20)를 이룬다. 각 전극판은 금속 포일로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어진다.

전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재한다. 무지부에는 한 전극판에 통상 하나씩 전극 탭(27,29)이 설치된다. 전극 탭(27,29)은 원통형 캔(10) 및 캔(10)과 절연된 캡 어셈블리(80)와 전기접속되어 충방전시 전극 조립체와 외부 회로를 연결하기 위한 통로의 일부를 형성한다. 전극 조립체(20)에서 전극 탭은 하나가 원통형 캔(10)의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출되도록 형성된다.

전극 조립체는 상하에 위치하는 상, 하 절연판(13a,13b)과 차례로 캔 개구부를 통해 원통형 캔(10)에 투입된다. 전극 조립체의 캔 내 유동을 막기 위한 비드가 캔에 형성되고, 전해액이 주입된다. 캔의 개구부 내측 벽에 절연 가스켓(30)이 설치되고, 가스켓(30) 내측으로 캔(10)의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리(80)가 설치 된다.

캡 어셈블리(80)로서 벤트 어셈블리, PTC(Positive Thermal Coefficient:60), 전극 단자를 가진 캡업(70)이 삽입된다. 벤트 어셈블리는 통상적으로 아래쪽의 밴트(40)와 벤트의 작용과 함께 파단되어 전류의 경로를 끊는 전류 차단기(CID:Current Interrupt Device:50)를 구비하여 이루어진다.

그리고, 가스켓(30) 내측에 투입된 캡업(70) 등을 마개로 원통형 캔(10)의 개구부 벽체에 내측 및 아래쪽으로 압력을 가해 캔을 봉합하는 클림핑 작업이 이루어진다. 또한, 전지의 외부에 외장재를 입히는 튜빙(tubing) 작업이 이루어진다.

이런 과정 중에서 전극 탭의 연결을 살펴보면, 전극 조립체의 전극 탭 가운데 아래쪽으로 뻗은 것은 전극조립체와 캔 사이에 하절연판을 개재시킨 상태로 탭이 하절연판을 통과하거나 우회하여 캔의 저면에, 위쪽으로 뻗은 것은 상절연판의 홀을 통해 캡 어셈블리의 벤트에 대개 용접된다.

하향 전극 탭(29) 용접의 경우, 도3에 부분적으로 도시된 단면도에서 보이듯이 전극 조립체(20)가 캔(10)에 인입된 뒤 전극 조립체(20) 중심의 빈 공간을 통해 용접봉(115)을 넣고, 전극 탭(29)을 캔(10) 저면에 밀착시킨 상태로 용접봉에 전류를 흘려 저항 용접을 실시한다. 전극 탭과 캔 사이에는 용접봉(115)의 좁은 끝부분이 닿은 자리에 용접점(291)이 형성된다. 그런데, 전극 조립체 중심의 작은 공간으로 용접봉을 넣어 용접을 하는 관계로 용접봉을 움직여가면서 용접하기 어렵고, 용접점(291)이 하나인 1포인트 용접을 하게 된다.

위쪽으로 인출되는 상향 전극 탭(27)과 벤트(40)의 오목부(42)를 용접하기 위해서는 용접 작업이 편리하도록 전극 탭(27)은 여분의 길이를 갖게 형성된다. 그리고, 전극 탭이 절곡되면서 벤트 어셈블리는 가스켓(30)이 끼워진 캔 위쪽 개구부에 삽입된다. 이런 공정은 벤트 어셈블리와 전극 조립체(20) 사이에 공정의 편의를 위한 약간의 공간을 요구한다.

상향 전극 탭이 너무 길어지면 용접 후 탭의 처리가 곤란하므로 작업성이 있는 범위 내에서 상향 전극 탭의 길이를 정한다. 용접 후 상향 전극 탭의 잔여 부분이 캡 조립체와 전극 조립체 사이 공간에 사행하듯이 위치할 수 있고, 상절연판은 상향 전극 탭과 전극 조립체의 다른 극성과 단락을 방지하는 역할을 할 수 있다.

전극 조립체(20)의 권취를 위한 중공에는 하향 전극 탭 용접 후에 도2와 같은 센터핀(18)이 설치될 수 있다.

그런데, 전극 조립체의 전극 탭들이 안전벤트나 캔과 용접될 때 용접이 상당한 강도로 이루어져야 한다. 만약 용접이 제대로 이루어지지 않을 경우, 전극 탭과 안전벤트 혹은 캔 사이의 전기 접속은 표면 접촉에 의해 이루어지기 쉽다. 표면 접촉에 의한 전기 접속은 접촉저항을 발생시키고, 이는 용접된 것에 비해 큰 저항값을 가진다. 따라서, 전지의 내부 저항이 증가하고, 충방전 효율이 저하되는 문제가 있다.

특히, 캔 저면에서의 1포인트 용접의 경우, 인장력에 대하여 저항하는 강도는 일정 기준을 만족하기 쉬우나, 내부에서 전극 조립체가 회전하게 될 경우, 용접점이 중심쪽에 있고 하나만 있으므로 회전에 저항하는 힘은 매우 약하다. 따라서, 전지 사용중에도 용접이 떨어지고, 내부 저항이 급격히 증가되는 현상이 발생할 수 있다. 그리고, 이런 현상은 전극 조립체가 캔 내부에서 회전하기 쉬운 원통형 전지의 경우에서 주로 문제가 된다.

본 발명은 상술한 종래의 이차 전지의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 캔 저면과 하향 전극 탭 사이의 전기 접속의 신뢰성을 높일 수 있는 이차 전지 및 그 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 캔 저면과 하향 전극 탭 사이의 용접의 강도를 높이고, 접속부의 내부 저항을 낮게 유지하여 충방전 효율과 방전량을 높일 수 있는 이차 전지 및 그 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 이차 전지는,

전극 탭이 형성된 두 전극과 상기 두 전극 사이에 개재되어 상기 두 전극 사이의 단락을 방지하는 세퍼레이터를 가지는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 용기형 캔, 상기 캔의 개구부에서 가스켓을 개재하여 상기 캔을 마감하는 캡 어셈블리를 구비하는 이차 전지에 있어서, 상기 전극 탭 가운데 하나가 캔 저면에 적어도 폐곡면이나 원주의 일부에 해당하는 형태의 용접부를 가지도록 전기접속되는 특징으로 한다.

본 발명에서, 용접부는 젤리롤형 전극 조립체의 중공에 해당하는 영역 내에 서 캔 저면과 접속되도록 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 원주의 일부에 해당하는 형태로는 전체 원주, 적어도 하나의 원호, 원주 상의 몇 개의 이격된 점이 예시될 수 있으며, 폐곡면에 해당하는 형태로는 전체 원, 삼각형, 등의 다각형을 예시할 수 있다.

본 발명에서, 용접은 레이저 용접이나 초음파 용접으로 이루어질 수 있으나, 전극 조립체의 중공을 통과하는 용접봉에 의한 저항 용접의 방법으로 이루어질 수있다. 물론 용접봉은 본 발명의 용접부와 같은 형태를 이루기 위해 탭 및 캔 저면 밀착부와 닿는 끝단부에서 하나의 뾰족한 점이 아니고, 일정 면적을 가진 다각형이거나, 선의 형태를 가지도록 이루어질 수 있다.

본 발명에서 하향 전극 탭이 캔 저면에서 용접되는 것이 통상적일 것이나, 전극 탭은 다른 캔 내측면에 접속되는 것일 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 살펴보기로 한다.

먼저, 본 발명의 이차 전지의 형성과정을 살펴보면, 종래와 같이 직사각의 판형으로 형성된 두 전(25)극이 적층되고, 와형으로 권취되어 젤리롤형 전극 조립체(20)를 형성한다. 이때, 이들 전극 사이 및 두 전극 아래쪽 혹은 위쪽에는 세퍼레이터(21,23)가 하나씩 위치하므로 겹쳐지고, 권취되는 두 전극이 맞닿는 부분에는 어디나 세퍼레이터가 개재되어 단락을 방지한다.

각 전극판은 알미늄이나 구리로 된 금속 포일 혹은 금속 메쉬로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어진다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물 질과 보조 도체 및 바인더와 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 이루어진다. 용매는 이후의 전극 형성 공정에서 제거된다.

전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재한다. 무지부에는 한 전극판에 하나씩 전극 탭이 설치되며, 전극 탭(27,29)은 하나가 원통형 캔(10)의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출되도록 형성된다.

캔은 원통형으로 철재, 알미늄 합금 등을 사용하여 딥 드로잉 방법 등으로 형성한다. 이어서, 캔(10)의 개구부를 통해 캔 내부로 전극 조립체(80)를 삽입한다. 이때, 전극 조립체를 삽입하기에 앞서 먼저 전극 조립체(80) 하면에 하절연판(13b)을 덮고, 전극 조립체의 외측 부분에서 하향 인출된 전극 탭(29)이 하절연판의 외측을 우회하면서 캔 저면과 나란하도록 절곡된다. 하절연판(13b)과 전극 조립체(20)를 함께 캔(10) 내로 삽입하게 된다.

이때, 전극 조립체는 원통형의 젤리롤을 이루며, 권취를 위해 맨드랠 전극 및 세퍼레이터를 파지하던 부분이 전극조립체와 분리되면서 젤리롤의 중심은 비어 중공을 형성한다. 하절연판(13b)의 중심은 전극 조립체의 중공에 해당하는 영역에 역시 통공을 가진다. 절곡된 전극 탭(29)의 부분은 하절연판의 통공을 가로지르도록 한다.

이런 상태에서 위쪽에서 전극 조립체의 중공을 통해 용접봉(125)이 캔(10) 저면 방향으로 내려온다. 하절연판의 중앙 통공을 지나 하절연판(13b)의 아래쪽에서 중앙 통공을 가로지르는 전극 탭(29) 부분과 만나게 된다. 전극 탭 부분은 위쪽으로 용접봉(125)과 접하고, 아래로는 캔 저면과 접한다.

본 발명의 용접부(127) 형태를 이루기 위해 용접봉(125)의 단부는 종래와 같이 뾰족하게 하나의 점에 가깝게 형성되지 않고, 면으로 형성되거나 선으로 형성된다. 즉, 물체와 닿아 용접을 실시하는 단부가 다각형 혹은 임의의 폐곡선 주변을 가지는 평평한 평면이거나, 원주, 원호, 원주를 따라 형성되는 복수의 돌출된 점이 될 수 있다. 도5a 내지 도5c는 본 발명에 이용될 수 있는 여러 용접부 혹은 용접봉들의 끝단부 평면을 나타내는 평면도이다. 이런 용접봉의 단부가 이런 형태를 이루기 위해 용접봉은 속이 채워진 금속봉을 사용하되 단부에만 특정 형상이 돌출되도록 이루어질 수 있고, 속이 빈 원통형 용접봉을 사용하는 경우도 생각할 수 있다.

또한, 실시예에 따라서는 전극 조립체의 중공에 센터 핀을 설치하게 되는 데, 금속 센터 핀이 중곡에 삽입된 상태로 캔에 끼워지고, 센터 핀 상부에 용접봉을 연결하여 센터 핀 자체에 전류가 흐르는 경우도 생각할 수 있다. 이런 경우, 용접봉 자체의 단부 형태는 중요하지 않게 되며, 센터 핀의 아래쪽 단부의 형태, 돌출 패턴이 전극 탭과 캔 저면 사이의 용접부 형태를 결정하게 된다.

저항 용접을 위해 받침부를 이루는 저항 용접용인 하나의 전극은 캔 아래쪽에서 전극 조립체가 수용된 캔 저면을 넓게 받치고 있다. 그리고, 다른 전극인 용접봉이 전극 탭 부분을 눌러 캔 저면과 밀착되게 한 상태로 전압을 인가하면 용접봉-전극 탭-캔 저면-받침부의 경로로 전류가 흐르게 된다. 용접봉과 전극 탭이 닿는 부분을 통해 주로 전류가 흐르면서 열을 발생시켜 이 부분을 녹여 용접이 이루어진다. 따라서, 용접부는 전극 탭과 닿는 용접봉 단부의 형태와 같은 폐곡면, 원 주, 원호 혹은 원주를 따라 형성된 복수의 점 등의 패턴을 이루게 된다.

한편, 본 발명의 용접부 패턴을 형성하기 위해 종래에 1 포인트 용접에 비해 더 많은 부분을 녹이는 작업이 필요하고, 이를 위해 더 많은 전력이 소모된다. 작업성을 떨어뜨리지 않기 위해 종래와 같은 시간 동안에 용접이 이루어지도로 하기 우해서는 용접봉을 통해 흘리는 전류를 증가시킬 필요가 있다.

이어서, 종래와 같은 순서에 따라, 이차 전지의 후속 공정을 실시하게 된다. 즉, 하향 전극 탭 용접 후, 상절연판을 전극 조립체 위에 설치한다. 이때, 상절연판의 통공을 통해 전극 조립체의 상향 전극 탭이 위쪽으로 인출되도록 한다. 상절연판이 중앙 통공을 가질 경우, 상절연판 설치 후 하향 전극 탭의 용접이 실시될 수도 있다. 그리고, 캔 상부 비딩, 전해액 주입, 개구부에 가스켓 삽입, 상향 전극 탭과 캡 조립체의 용접, 캔 조립체 설치와 클램핑, 튜빙 등의 공정이 통상적으로 이루어진다.

캡 조립체의 벤트 부분과 전극 조립체의 상향 전극 탭 사이의 용접은 캔 저면과 하향 전극 탭 사이의 용접과 달리 작업자가 작업 상태를 볼 수 있는 상태에서 이루어지며, 임의적으로 여러 용접 방법을 통해 1포인트 용접 외의 강한 용접이 이루어지도록 할 수 있다.

캔과 하향 전극 탭 사이의 용접 및 캡 조립체와 상향 전극 탭 사이의 용접이 모두 강한 용접 강도를 가지도록 이루어지므로 전극 조립체가 캔 내부에 꽉 끼이지 않고 캔 내벽과의 사이에 틈을 가지는 경우에도 전극 탭 용접부가 캔 내에서의 전극 조립체의 회전과 유동을 막아주는 역할을 할 수 있다. 이런 유동의 방지는 전극 탭의 전기 접속을 안정되게 하여 용접점에서의 내부 저항 증가, 단선 등의 문제를 없앨 수 있고, 외부 충격 테스트나 드럼에 전지를 넣고 회전시키는 충격 테스트에서 탈락되는 이차 전지 비율을 줄일 수 있게 된다.

본 발명에 따르면, 별도의 공정의 추가나 시간적 지연 없이도 기존의 공정을 용접봉의 형태를 다소 변경하는 것만으로도 이차 전지에서 캔 저면과 전극 조립체의 하향 전극 탭 사이의 용접의 강도를 높일 수 있다.

따라서, 용접부에서의 내부 저항을 낮게 유지하여 이차 전지의 전체 내부 저항을 낮추어 충방전 효율과 방전량을 높일 수 있다.

특히, 외부 충격 등에 의해 전극 조립체가 회전되어 캔 저면과 하향 전극 탭 사이의 용접이 떨어짐으로써 전지 사용중 내부 저항이 급격히 상승하는 문제를 방지하여 이차 전지의 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 전극 탭이 형성된 두 전극과 상기 두 전극 사이에 개재되어 상기 두 전극 사이의 단락을 방지하는 세퍼레이터가 적층 권취되어 이루어지며 권취 축에 중공을 가진 젤리롤형 전극 조립체,

   상기 전극 조립체를 수용하는 용기형 캔,

   상기 캔의 개구부에서 가스켓을 개재하여 상기 캔을 마감하는 캡 어셈블리를 구비하는 이차 전지에 있어서,

   상기 전극 탭 가운데 하나가 상기 캔 저면과 용접된 용접부는 평면상에서 상기 젤리롤형 전극조립체의 중공과 겹치는 영역 내에서 형성되며, 폐곡면이나 적어도 원주의 일부에 해당하는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 중공에는 금속재질의 센터 핀이 설치되고,

   상기 센터 핀의 하단부는 상기 용접부의 형상과 대응하는 형상으로 상기 전극 탭과 닿는 부분이 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 용접부의 형태는 원주, 적어도 하나의 원호, 원주 상의 복수 개의 이격된 점들 가운데 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 용접부는 저항 용접으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 전극 조립체의 다른 전극 탭은 상기 캡 어셈블리와 두 점 이상에서 용접되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 캔은 원통형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 전극 조립체와 상기 캔의 저면 사이에는 절연판이 설치되고, 상기 절연판은 중심부 통공을 가지며 상기 전극 탭은 상기 중심부 통공과 겹치는 영역에서 상기 용접부를 형성하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
9. 제 2 항에 있어서,

   상기 전극 조립체는 젤리롤형으로 상기 캔 내벽과의 사이에 틈을 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.

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