KR100836775B1 - 탑 캡 상에 지지부재 고정용 홈이 형성되어 있는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지셀의 상단에 보호회로 모듈을 포함한 캡 어셈블리를 장착하는 구조의 이차전지로서, 상기 보호회로 모듈은 소정의 지지부재에 의해 전지셀의 탑 캡 상에 장착되고, 상기 지지부재는 탑 캡 상에 형성되어 있는 고정용 홈에 그것의 하단 일부가 삽입된 상태에서 고정되어 있는 것으로 구성되어 있는 이차전지를 제공한다.

이러한 이차전지는 전지셀에 대한 캡 어셈블리의 장착시 보호회로 모듈 등에 대한 탑재를 용이하게 하는 지지부재를 탑 캡의 정위치에 용이하게 설치할 수 있고, 탑 캡에 대한 상기 지지부재의 결합력이 우수하여 전지의 측면방향으로의 낙하시에도 안전성이 우수하며, 탭 캡의 고정용 홈에 대한 삽입 상태로 지지부재가 설치되므로 정교한 용접이 아닌 접착 방식이나 간단한 용접 또는 솔더링 등으로도 소정의 결합 강도를 가진 설치가 가능한 점 등의 장점을 가진다.

Description

탑 캡 상에 지지부재 고정용 홈이 형성되어 있는 이차전지 {Secondary Battery Having Grooves For Fixing Of Bolsters On Tap Cap}

도 1a는 종래기술에 따른 각형 전지용 탑 캡의 모식도이다;

도 1b는 종래기술에 따른 또 다른 각형 전지용 탑 캡의 모식도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지에서 탑 캡의 평면도 및 단면도이다;

도 3은 도 2의 탑 캡을 사용하여 만들어진 전지셀에 지지부재를 설치하는 과정의 사시도이다;

도 4는 도 3에서 전지셀의 상단에 보호회로 모듈을 장착하는 과정의 수직 단면 모식도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

100: 탑 캡 120: 고정용 홈

200: 금속 캔 300: 지지부재

400: 보호회로 모듈

본 발명은 탑 캡 상에 지지부재 고정용 홈이 형성되어 있는 이차전지 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지셀의 상단에 보호회로 모듈을 포함한 캡 어셈블리를 장착하는 구조의 이차전지로서, 상기 보호회로 모듈은 소정의 지지부재에 의해 전지셀의 탑 캡 상에 장착되고, 상기 지지부재는 탑 캡 상에 형성되어 있는 고정용 홈에 그것의 하단 일부가 삽입된 상태에서 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 전원으로 널리 사용되고 있다.

그러나, 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 리튬 이차전지에는 과충전 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 여러 가지 안전소자가 구비되어 있다. 이러한 안전소자로서, 전지셀에 연결되는 것으로는 이상전류나 전압을 감지하여 전류를 차단하는 보호회로, 이상 전류에 의한 과열시 전류를 차단하는 PTC(positive temperature coefficient) 소자, 바이메탈 등이 있다.

전지셀과 안전소자가 결합된 상태의 이차전지는 별도의 케이스에 수납되어 완성된 외관을 갖추게 된다. 일부의 경우에는, 전지셀과 보호회로 모듈 등 안전소자는 전기적으로 서로 접속된 상태에서 그 사이의 간극이 성형 수지에 의해 채워지면서 상호 고정되거나 함께 피복되어 완성된 외관을 갖춘 이차전지를 이룬다.

그런데, 전지셀과 보호회로 모듈 등을 성형 수지를 사용하여 전지팩으로 형성할 때, 전지팩 상태에서 보호회로 모듈을 전지셀에 고정적으로 결합시키는 성형 수지부는 알루미늄 등의 금속으로 이루어지는 전지셀과 재질이 다르고, 접촉면적도 크지 않아 부착 강도가 약하다는 문제가 있다.

부착 강도를 강하게 하기 위해서는 니켈 플레이트 등의 접속부재를 크게 하거나, 별도의 보강 구조를 형성하는 방법을 고려할 수 있다. 예를 들어, 별도의 보강 구조를 탑 캡에 용접하고, 보강 구조와 전지셀 사이에는 부분적으로 공간을 형성하여 성형 수지가 이 공간을 채우면서 보강 구조를 감싸게 하는 방법 등을 수 있다. 그러나, 이런 보강 구조를 위해서는 정교한 용접 등의 공정이 요구된다.

성형 수지에 의한 부착 강도의 강화가 아닌 구조라 하더라도, 탑 캡 상에 캠 어셈블리를 안정적으로 장착함에 있어서, 보강 구조의 형성은 바람직할 수 있다.

따라서, 전지셀과 보호회로 모듈과의 부착 강도를 유지하면서, 가공 공정의 단순화하기 위한 다양한 기술들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, 한국 특허출원공개 제2004-0103940호에는 전지셀의 탑 캡에 고정용 기둥을 용접하여 부착하는 기술이 개시되어 있고, 한국 특허출원공개 제2005-0074197호 및 제2005-0074199호에는 회로기판 등을 감싸고, 외면에 결합식 돌출부가 형성되어 있으 며, 상기 돌출부에 턱이 형성되어 있는 부품부를 몰딩 성형하여 제조한 다음, 상기 돌출부를 이용하여 부품부를 연결하는 것으로 전지셀에 보호회로를 장착하는 기술이 개시되어 있다.

상기 첫 번째 선행기술과 관련된 내용이 도 1a에 개시되어 있는 바, 캡 어셈블리의 제조 공정은 탑 캡(10)에 금속 기둥(12)을 부착하는 과정과 금속 기둥(12)을 포함하여 캡 어셈블리를 인서트(insert) 사출 성형하는 과정을 거치게 된다. 탑 캡(10)에 대한 금속 기둥(12)의 부착은 주로 용접 등에 의해 달성되지만, 평탄한 탑 캡(10)에 금속 기둥(12)을 부착하는 작업은 정확한 위치를 확인하여야 하므로 작업 공정이 번거롭고, 특히 측면 방향에서 작용하는 외력에 대한 강도가 낮다는 문제점이 있다.

상기 두 번째 선행기술과 관련된 내용이 도 1b에 개시되어 있는 바, 캡 어셈블리 제조공정은, 탑 캡(20)의 외면에 결합식 돌출부(22)를 부착하고 그에 대응하는 기계적 결합부(도시하지 않음)를 보호회로부에 형성함으로써, 용접을 행하지 않고 이들의 상호 체결에 의해 결합이 이루어질 수도 있도록 구성되어 있다. 그러나, 우선적으로 평평한 탑 캡(20) 상에 결합식 돌출부(22)를 용접 등에 의해 부착시켜야 하므로 근본적으로 도 1a에서와 같은 문제점이 여전히 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지 탑 캡의 제조시 탑 캡 평탄부에 고정용 홈을 함께 형성함으로써, 탑 캡에 대한 보호회로 모듈 등 캡 어셈블리의 장착을 위한 지지부재의 정위치 설치가 용이해지고, 부재들간의 접착면적이 증가하여 외부 충격에 대한 강도 및 안정성이 확보되며, 많은 시간과 노력을 요하는 용접 등을 행하지 않고도 또는 간단한 용접에 의해 탑 캡에 대한 지지부재의 견고한 설치가 가능해짐을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이를 바탕으로, 본 발명에 따른 이차전지는, 전지셀의 상단에 보호회로 모듈을 포함한 캡 어셈블리를 장착하는 구조의 이차전지로서, 상기 보호회로 모듈은 소정의 지지부재에 의해 전지셀의 탑 캡 상에 장착되고, 상기 지지부재는 탑 캡 상에 형성되어 있는 고정용 홈에 그것의 하단 일부가 삽입된 상태에서 고정되어 있는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 상기 지지부재는 탑 캡 상에 형성되어 있는 고정용 홈에 위해 정위치로 용이하게 설치될 수 있고, 더욱이 용접 등을 행하지 않거나 간간단한 용접으로도 안정적인 설치가 가능하며, 외력, 특히, 측면 방향에서의 외력에 대해서도 우수한 부착력을 제공할 수 있다.

상기 고정용 홈은 지지부재의 안정적인 설치가 가능한 형태라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 지지부재의 하단부의 형상에 대응하는 만입부의 형태로 형성될 수 있다. 그러한 만입부는 탑 캡의 하단면에 돌출되지 않도록 그것 의 상단면 중 해당 부위를 절삭 또는 압착한 형태이거나, 또는 탑 캡의 하단면이 돌출되도록 그것의 상단면 중 해당 부위를 가압 변형한 형태일 수 있다.

전자의 경우에 있어서, 탑 캡의 두께가 0.8 mm일 때, 고정용 홈은 예를 들어 0.2 내지 0.4 mm의 깊이로 형성되는 것이 바람직한 바, 고정용 홈의 깊이가 너무 얇은 경우에는 지지부재와의 충분한 접촉면적을 확보할 수 없어 결합강도의 신뢰성을 확보할 수 없으며, 반대로 너무 깊은 경우에는 고정용 홈의 제조과정에서 탑 캡의 변형을 유발하거나 기계적으로 취약한 부위가 만들어질 수 있으므로 바람직하지 않다.

후자의 경우에는 가압 변형으로 인해 기타 부위의 변형이 유발되지 않고 고정용 홈 부위의 기계적 강성이 손상되지 않는 범위에서 적절하게 결정될 수 있다.

이러한 고정용 홈은 바람직하게는 단조 가공에 의해 형성될 수 있다.

상기 지지부재는 보호회로 모듈 등의 캡 어셈블리가 전지셀의 상단에 안정적으로 장착될 수 있도록 이를 지지하는 역할을 하므로, 다양한 형태로 만들어질 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 지지부재는 고정용 홈에 일부 또는 전부가 삽입되는 본체와 상기 본체보다 수평 단면상으로 큰 크기의 헤드로 이루어진 구조를 들 수 있다.

지지부재는 독립된 부재로서 사용될 수도 있고, 또는 보호회로 모듈에 일체로서 형성된 종속적 부재일 수도 있다.

상기 고정용 홈에 대한 지지부재의 설치는 다양한 방법으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 지지부재를 접착제가 도포된 상태로 고정용 홈에 삽입하여 부착시키는 방법, 지지부재를 고정용 홈에 삽입된 상태에서 간단한 용접을 행하여 결합시키는 방법 등을 들 수 있다. 상기 후자의 방법에서 용접을 행하는 경우에도, 고정용 홈에 대한 지지부재의 설치가 삽입 과정에 의해 일차적으로 달성되므로, 평평한 표면 상에 지지부재를 용접하는 종래기술과 비교하여, 간단한 용접 공정으로도 훨씬 강력한 결합 강도를 제공할 수 있다.

고정용 홈의 개수는 설치하고자 하는 지지부재의 수에 좌우되며, 전지의 폭 방향 및/또는 두께 방향으로 하나 또는 둘 이상 형성될 수 있다.

탑 캡 상에 지지부재를 설치한 후, 보호회로 모듈을 포함한 캡 어셈블리를 장착하는 이후의 과정은 앞서 설명한 종래기술들과 기본적으로는 동일하지만, 경우에 따라서는 일부 다를 수도 있다. 하나의 예로서, 니켈 플레이트를 사용하여 전지셀의 전극단자와 보호회로 모듈 등을 전기적으로 연결하고 기계적으로 체결하는 과정을 거칠 수 있다. 또한, 캡 어셈블리가 장착된 상태에서 그것과 전지셀 사이의 내부 공간에 전기절연성 수지를 인서트 사출 성형하여 전지의 안전성을 더욱 향상시킬 수도 있다.

하나의 바람직한 예에서, 보호회로 모듈은 그것의 외면을 감싸는 캡 하우징과 인서트 사출 성형에 의해 일체로서 제조될 수 있는 바, 이러한 일체형 구조는 본 출원인의 PCT 국제특허출원 제PCT/KR2004/2882호 등에 자세히 기재되어 있으며, 이는 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.

경우에 따라서는, 상기 보호회로 모듈이 지지부재를 통해 탑 캡 상에 장착된 상태에서 어셈블리 전체에 대해 인서트 사출 성형을 행하여 고정할 수도 있다.

상기 전지셀은 다양한 종류의 전지케이스에 양극/분리막/음극의 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있는 바, 바람직하게는 금속 캔에 상기 전극조립체가 내장된 구조로 이루어져 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지에서 탑 캡의 평면도 및 단면도가 도시되어 있고, 도 3에는 이러한 탑 캡을 사용하여 만들어진 전지셀에 지지부재를 탑재하는 과정의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 탑 캡(100)의 중앙에는 음극단자로서의 돌출단자(110)가 형성되어 있고, 양측에 고정용 홈(120)이 만입부의 형태로 형성되어 있으며, 돌출단자(110)와 고정용 홈(120) 사이에 전해액 주입구(130)이 천공되어 있다.

탑 캡(100)은 전극조립체(도시하지 않음)가 내장되어 있는 전지케이스(금속 캔: 200)의 개방 상단에 용접 등에 의해 결합되며, 돌출단자(110)는 절연부재(112)에 의해 탑 캡(100)으로부터 전기적으로 절연된 상태에서 전극조립체의 음극에 연결된다.

반면에, 전극조립체의 양극은 금속 캔(200) 또는 탑 캡(100)에 직접 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.

전극조립체를 금속 캔(200)에 삽입하고, 탑 캡(100)을 그것의 개방 상단에 용접하며, 전해액 주입구(130)를 통해 전해액을 주입한 후 밀봉하면, 하나의 전지 셀이 완성된다.

이러한 전지셀 상에 보호회로 모듈, 캡 하우징(도시하지 않음) 등의 캡 어셈블리가 장착되는 바, 지지부재(300)는 이러한 캡 어셈블리의 장착을 위한 탑재를 용이하게 한다.

지지부재(300)는 고정용 홈(120)에 일부가 삽입되는 본체(310)와 그러한 본체(310)보다 수평 단면상으로 큰 크기의 헤드(320)의 구조로 이루어져 있다. 본체(310)는 대략 직사각형의 단면 구조로 되어 있으며, 고정용 홈(120) 역시 그에 대응하는 직사각형의 만입부 형상으로 이루어져 있다. 따라서, 지지부재(300)를 고정용 홈(120)에 단지 삽입하는 과정에 의해 탑 캡(100)에 대한 정위치에서의 설치가 이루어질 수 있고, 견고한 고정을 위해 접착제 부가, 간단한 용접, 솔더링 등이 행해지게 된다.

도 4에는 도 3에서 전지셀의 상단에 보호회로 모듈을 장착하는 과정이 수직 단면도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 지지부재(300)는 PCB 구조의 보호회로 모듈(400)의 하단에 형성되어 있고, 보호회로 모듈(400)의 상단에는 외부 입출력 단자가 형성되고 있다.

보호회로 모듈(400)은 그것 하단의 지지부재(300)를 탑 캡(100)의 고정용 홈(120)에 삽입하는 과정을 통해 용이한 장착이 달성될 수 있다. 도면에는 생략되어 있지만, 보호회로 모듈(400)과 음극단자로서의 돌출단자(110)와 양극단자로서의 탑 캡(100)을 전기적으로 연결하기 위하여 니켈 플레이트 등의 접속부재가 사용될 수 있으며, 또한 PCT 소자, 바이메탈, 퓨즈 등의 안전부재들이 추가로 장착될 수 있다.

이상 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전지셀에 대한 캡 어셈블리의 장착시 보호회로 모듈 등에 대한 탑재를 용이하게 하는 지지부재를 탑 캡의 정위치에 용이하게 설치할 수 있고, 탑 캡에 대한 상기 지지부재의 결합력이 우수하여 전지의 측면방향으로의 낙하시에도 안전성이 우수하며, 탭 캡의 고정용 홈에 대한 삽입 상태로 지지부재가 설치되므로 정교한 용접이 아닌 접착 방식이나 간단한 용접 또는 솔더링 등으로도 소정의 결합 강도를 가진 설치가 가능한 점 등의 장점을 가진다.

Claims (9)

1. 전지셀의 상단에 보호회로 모듈을 포함한 캡 어셈블리를 장착하는 구조의 이차전지로서, 상기 보호회로 모듈은 소정의 지지부재에 의해 전지셀의 탑 캡 상에 장착되고, 상기 지지부재는 탑 캡 상에 형성되어 있는 고정용 홈에 그것의 하단 일부가 삽입된 상태로 고정되며 용접에 의해 상호간 결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정용 홈은 지지부재의 하단부 형상에 대응하는 만입부의 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고정용 홈은 탑 캡의 하단면에 돌출되지 않도록 그것의 상단면 중 해당 부위를 절삭 또는 압착하여 형성되거나, 또는 탑 캡의 하단면이 돌출되도록 그것의 상단면 중 해당 부위를 가압 변형하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 지지부재는 접착제가 도포된 상태로 고정용 홈에 삽입되어 상호간 결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 지지부재는 고정용 홈에 일부 또는 전부가 삽입되는 본체와 상기 본체보다 수평 단면상으로 큰 크기의 헤드로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 전지셀의 상단에 보호회로 모듈을 포함한 캡 어셈블리를 장착하는 구조의 이차전지로서, 상기 보호회로 모듈은 소정의 지지부재에 의해 전지셀의 탑 캡 상에 장착되고, 상기 지지부재는 탑 캡 상에 형성되어 있는 고정용 홈에 그것의 하단 일부가 삽입된 상태에서 고정되어 있으며, 상기 보호회로 모듈은 그것의 외면을 감싸는 캡 하우징과 인서트 사출 성형에 의해 일체로서 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 전지셀의 상단에 보호회로 모듈을 포함한 캡 어셈블리를 장착하는 구조의 이차전지로서, 상기 보호회로 모듈은 소정의 지지부재에 의해 전지셀의 탑 캡 상에 장착되고, 상기 지지부재는 탑 캡 상에 형성되어 있는 고정용 홈에 그것의 하단 일부가 삽입된 상태에서 고정되어 있으며, 상기 보호회로 모듈이 지지부재를 통해 탑 캡 상에 장착된 상태에서 어셈블리 전체에 대해 인서트 사출 성형을 행하여 고정하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형의 금속 캔에 양극/분리막/음극의 전극조립체가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.

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