KR100855182B1 - 용접에 의해 탑 캡이 결합된 원통형 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형 캔의 내부에 젤리-롤형 전극조립체가 삽입되고 상기 캔의 상단에 탑 캡이 결합되는 원통형 전지로서, 탑 캡의 외주면이 원통형 캔의 상단 내주면과 계면을 형성하도록 탑재되고, 상기 원통형 캔의 내면에는 탑 캡의 정위치 탑재를 위한 지지 구조가 형성되어 있으며, 상기 원통형 캔에 탑 캡이 탑재된 상태에서 계면 상단을 따라 용접하는 것에 의해, 원통형 캔에 대한 탑 캡의 결합을 이루는 것으로 구성되어 있는 전지를 제공한다.

본 발명에 따른 원통형 전지는 비딩부를 형성하지 않고 탑 캡을 원통형 캔에 결합시킴으로써 넓은 전지 내부공간을 확보할 수 있어서 전지의 용량을 증가시킬 수 있으며, 지지 구조에 의해 원통형 캔에 대한 탑 캡의 정위치가 탑재가 용이하며, 전지의 상단면에서 용접을 행함으로써 예를 들어 측면 방향에서의 외력 등에 대해 높은 기계적 강도를 나타내는 등의 효과가 있다.

Description

용접에 의해 탑 캡이 결합된 원통형 전지 {Cylindrical Battery Employed with Top Cap by Welding}

도 1은 종래기술에 따른 원통형 전지의 부분 수직 단면도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지의 부분 수직 단면도이다;

도 3a 내지 3d는 도 2의 B 부위에 대한 확대도들로서 다양한 지지 구조들의 형상을 보여주고 있다.

본 발명은 용접에 의해 탑 캡이 결합된 원통형 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 원통형 캔의 내부에 젤리-롤형 전극조립체가 삽입되고 상기 캔의 상단에 탑 캡이 결합되는 원통형 전지로서, 탑 캡과의 정위치 탑재를 돕는 지지 구조가 원통형 캔의 내면에 형성되어 있고 탑 캡을 탑재한 상태에서 이들의 계면을 용접에 의해 결합시킴으로써, 비딩부(beading)를 형성하지 않고도 탑 캡을 안정적으로 결 합할 수 있어서 조립 공정이 용이하고 넓은 전극조립체 내장 공간을 확보할 수 있다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체가 전해질이 함침된 상태로 케이스에 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다. 전극조립체는 긴 시트형의 집전체 호일(foil) 양면에 전극 활물질을 도포한 양극과 음극을 분리막을 개재한 상태로 둥글게 권취한 젤리-롤형과 일정한 단위 크기의 집전체 호일 양면에 전극 활물질을 도포한 다수의 양극과 음극을 분리막을 개재한 생태로 순차적으로 적층한 스택형으로 구분된다.

이러한 전극조립체를 전지케이스에 내장한 형태에 따라 이차전지를 분류하기도 하는데, 원통형의 금속 캔에 내장한 원통형 전지, 각형의 금속 캔에 내장한 각형 전지, 및 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장한 파우치형 전지가 있다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.

일반적으로 원통형 이차전지는, 젤리-롤형 전극조립체를 원통형 금속 캔에 장착한 상태에서 전극조립체의 음극을 캔의 하단에 용접하고, 전극조립체와 전해질이 내장된 상태에서 전지를 밀폐시키기 위해 그것의 상단에 결합되는 탑 캡의 돌출 단자에 전극조립체의 양극을 용접하여 제조된다.

이와 같이 원통형 캔의 개방 상단에 결합되는 탑 캡에는, 전지의 비정상적인 작동시 전류를 차단하고 내압을 해소하기 위한 CID(Current Interruptive Device)와, 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element) 등이 장착되어 있다.

원통형 캔에 대한 탑 캡의 결합은 일반적인 원통형 전지에 대한 부분 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있는 도 1에 잘 나타나 있다.

도 1을 참조하면, 원통형 전지(10)에서 원통형 캔(30)에 대한 탑 캡(20)의 결합을 위해, 원통형 캔(30)의 상단 부위를 소정의 폭 만큼 내측으로 만입한 후 그 위에 탑 캡(20)을 탑재하고 다시 탑 캡(20)의 외주면을 감싸도록 절곡한 비딩부(32)를 형성한다. 비딩부(32)에 의한 탑 캡(20)의 결합은 원통형 캔(30)의 소재인 금속의 소성 변형과 높은 기계적 강도에 의해 달성되므로, 안정적인 결합 상태를 유지한다.

그러나, 비딩부(32)의 형성으로 인해 전지의 내부 공간(A), 즉, 전극조립체가 장착될 수 있는 내부 공간은 더욱 좁아지게 된다. 전지의 용량은 발전소자로서의 전극조립체의 크기에 의해 크게 좌우되므로, 비딩부(32)로 인한 공간 손실은 그대로 용량의 축소를 초래한다. 따라서, 비딩부(32)를 형성하지 않고 탑 캡을 원통형 캔에 결합시킬 수 있는 다양한 기술들이 개발되었다.

예를 들어, 일본 특허출원공개 제2004-171980호에는 젤리-롤형 전극조립체에서 양극 집전체를 상부로 돌출시켜 캡의 단자부 집전체에 접속시키고 음극 집전체 를 하부로 돌출시켜 하단부 집전체에 접속시키며, 캡을 구성하는 봉합판을 가스켓이 개재된 상태에서 원통형 캔의 상단 내측면에 결합시키는 구조의 원통형 전지가 개시되어 있다. 상기 출원은 전지의 내부 공간을 극대화할 수 있다는 장점이 있음에 반하여, 두 전극이 상하로 돌출된 특수한 구조의 전극조립체를 정밀하게 제조하여야 한다는 단점과, 봉합판을 원통형 캔의 상단에 결합시키기 위해 캔의 상단 내측을 특수한 구조로 만들어야 한다는 단점을 가지고 있다. 결과적으로, 전지의 제조 공정이 복잡해지는 문제점을 가지고 있다.

한국 특허출원공개 제2001-48268호에는 특수한 구조의 캡 어셈블리가 설치된 환형 캡을 원통형 캔의 상단에 탑재한 후 용접하는 구조의 원통형 전지가 개시되어 있다. 그러나, 상기 출원에서의 캡 어셈블리 구조는 구조적 안정성이 종래의 캡 어셈블리에 비해 떨어지며, 환형 캡을 원통형 캔에 용접하기 위해서는 환형 캡의 하단을 원통형 캡의 상단에 정확한 위치로 밀착시키는 작업을 우선 수행하여야 하므로 조립 공정이 매우 번잡하다는 문제점을 가지고 있다. 또한, 환형 캡과 원통형 캔의 용접 부위가 전지의 측면 방향에 위치하므로 용접 후에 별도의 마감처리가 필요하며, 측면 방향으로부터의 외력에 취약하다는 단점도 가지고 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결함과 동시에 비딩부를 제거함으로써 더욱 큰 크기의 전극조립체를 내장할 수 있는 원통형 전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 탑 캡을 원통형 캔에 결합시킴에 있어서, 탑 캡의 외주면이 원통형 캔의 상단 내주면과 계면을 형성하도록 탑재하고, 탑 캡과 계면을 형성하는 원통형 캔의 내면 하단에 탑 캡의 정위치 탑재를 위한 지지 구조를 형성하고, 원통형 캔의 상단에 탑 캡이 장착된 상태에서 계면을 용접하는 경우에는, 간단한 작업 공정에 의해 높은 결합력과 기계적 강성으로 원통형 캔에 대한 탑 캡의 결합을 이룰 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 원통형 전지는 원통형 캔의 내부에 젤리-롤형 전극조립체가 삽입되고 상기 캔의 상단에 탑 캡이 결합되는 원통형 전지로서, 탑 캡의 외주면이 원통형 캔의 상단 내주면과 계면을 형성하도록 탑재되고, 상기 원통형 캔의 내면에는 탑 캡의 정위치 탑재를 위한 지지 구조가 형성되어 있으며, 상기 원통형 캔에 탑 캡이 탑재된 상태에서 계면 상단을 따라 용접하는 것에 의해, 원통형 캔에 대한 탑 캡의 결합을 이루는 것으로 구성되어 있다.

본 발명의 주요 특징들은, 원통형 캔에 대한 탑 캡의 결합이 용접에 의해 달성된다는 점과, 탑 캡이 원통형 캔에 삽입되는 방식으로 탑재됨으로써 용접 부위가 전지의 상부에 형성된다는 점, 및 원통형 캔의 지지 구조에 의해 탑 캡이 정위치에서 원통형 캔에 용이하게 탑재될 수 있다는 점 등이다. 이러한 구조적 특징은 앞 서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 모두 해결하면서 큰 크기의 전지 내부 공간을 제공함으로써, 동일 규격의 전지에서 용량을 더욱 크게 할 수 있다.

본 발명의 원통형 전지에는 탑 캡이 원통형 캔의 내측에 삽입되는 방식으로 탑재되므로, 탑 캡의 외주면이 원통형 캔의 상단 내주면과 계면을 형성하게 된다. 또한, 그러한 삽입에 의한 탑재시 정위치로의 탑재가 가능할 수 있도록 원통형 캔의 내면에는 지지 구조가 형성되어 있다.

상기 지지 구조는, 바람직하게는, 탑 캡이 원통형 캔의 내측에 삽입된 상태에서 용접을 위한 계면 상단이 원통형 캔의 상단면과 일치하도록, 탑 캡의 높이를 고려한 위치에서, 원통형 캔의 내면에 형성되어 있다.

이러한 지지 구조는 다양할 수 있으며, 몇가지 예를 들면 하기와 같다.

첫 번째 예로는, 탑 캡을 지지할 수 있는 형태의 환형 링이 원통형 캔의 내면에 밀착된 상태로 설치되어 있는 형태를 들 수 있다. 즉, 외경이 원통형 캔의 내경에 대략 일치하는 환형 링을 원통형 캔에 삽입하여 고정함으로써 탑 캡의 외주면 하단을 지지할 수 있게 된다. 이러한 지지 구조에 있어서, 원통형 캔의 내면에 환형 링의 설치 및 고정이 용이할 수 있도록, 바람직하게는 상기 환형 링의 일부가 삽입될 수 있는 소정의 그루부가 형성되어 있다.

두 번째 예로는, 원통형 캔의 내면에 탑 캡을 지지할 수 있는 돌출부가 형성되어 있는 형태를 들 수 있다.

세 번째 예로는, 탑 캡이 삽입되는 위치에서 원통형 캔의 내면에 아래쪽을 향해 내경이 좁아지는 단차가 형성되어 있는 형태를 들 수 있다. 즉, 단차를 중심 으로 상대적으로 큰 내경의 원통형 캔의 내면 부위에 탑 캡이 삽입되는 구조가 만들어진다.

상기 각각의 예에서, 그루부, 돌출부, 단차 등은 예를 들어 단조 공정에 의해 캔의 내면에 형성될 수 있다.

지지 구조에 의해 지지된 상태로 탑 캡이 탑재된 원통형 캔에서, 탑 캡과 원통형 캔의 계면 상단은 전지 전체 구조를 중심으로 상단면에 위치하게 된다. 따라서, 그러한 계면 상단에 용접을 행하게 된다.

상기 용접은 다양한 방법으로 실행될 수 있으며, 바람직하게는 레이저 용접을 행할 수 있다.

이러한 구조의 원통형 전지는 특히 바람직하게는 리튬이온 이차전지에 적용될 수 있다.

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

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지의 형상이 수직 단면도로서 모식적으로 도시되어 있고, 도 3a 내지 3d에는 도 2의 B 부위에 대한 확대도로서 다양한 지지 구조들의 형상을 보여주고 있다.

우선 도 2를 참조하면, 본 발명의 원통형 전지(100)에서 탑 캡(200)은 그것의 외주면이 원통형 캔(300)의 상단 내주면과 계면을 형성하도록 삽입된 상태로 탑재되어 있다. 원통형 캔(300)에 탑 캡(200)이 탑재된 상태에서, 용접부(210)는 탑 캡(200)과 원통형 캔(300)의 계면 상단에 형성된다. 따라서, 도 1에서와 같은 비딩부를 형성하지 않고도 상호 결합이 이루어지므로, 넓은 내부 공간이 확보될 수 있으며, 그로 인해 전지의 용량 증가를 꾀할 수 있다.

원통형 캔(300)에 대한 탑 캡(200)의 탑재를 위해 원통형 캔(300)의 내부로 탑 캡(200)을 삽입할 때, 정위치로의 용이한 탑재를 가능하게 하는 지지 구조가 도 3a 내지 3d에 예시적으로 개시되어 있다.

도 3a를 참조하면, 원통형 캔(300)의 내면(310)에 밀착된 상태로 설치되어 있는 환형 링(400)이 탑 캡(200)에 대한 지지 구조로서의 기능을 갖는다. 환형 링(400)의 외경은 원통형 캔(300)의 내경에 대략 일치하므로, 그것의 내부에 삽입하였을 때 삽입된 위치에서 고정되어, 탑 캡(200)의 외주면 하단을 지지함으로써 정위치로의 탑재를 가능하게 한다.

이러한 환형 링(400)은, 도 3b에서와 같이, 원통형 캔(300)의 내면(310)에 소정의 그루부(320)를 미리 형성하였을 때, 환형 링(400)의 일부가 그루부(320)에 삽입되어 더욱 안정적으로 고정될 수 있다.

도 3c를 참조하면, 원통형 캔(300)의 내면(310)에 형성되어 있는 돌출부(330)는 또한 탑 캡(200)에 대한 지지 구조로서의 기능을 갖는다.

또 다른 예로서 도 3d를 참조하면, 탑 캡(200)이 삽입되는 위치에서 원통형 캔(300)의 내면(310)에 형성되어 있는 단차(340)는 탑 캡(200)에 대한 지지 구조로서의 기능을 갖는다. 단차(340)는 상부의 캔 두께(T_H)를 하부의 캔 두께(T_L)보다 얇게 함으로써 만들어진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 전지는 비딩부를 형성하지 않고 탑 캡을 원통형 캔에 결합시킴으로써 넓은 전지 내부공간을 확보할 수 있어서 전지의 용량을 증가시킬 수 있으며, 지지 구조에 의해 원통형 캔에 대한 탑 캡의 정위치가 탑재가 용이하며, 전지의 상단면에서 용접을 행함으로써 예를 들어 측면 방향에서의 외력 등에 대해 높은 기계적 강도를 나타내는 등의 효과가 있다.

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

Claims (8)

1. 원통형 캔의 내부에 젤리-롤형 전극조립체가 삽입되고 상기 캔의 상단에 탑 캡이 결합되는 원통형 전지로서, 탑 캡의 외주면이 원통형 캔의 상단 내주면과 계면을 형성하도록 탑재되고, 상기 원통형 캔의 내면에는 탑 캡의 정위치 탑재를 위한 지지 구조가 형성되어 있으며, 상기 지지 구조는 탑 캡을 지지할 수 있는 형태의 환형 링이 원통형 캔의 내면에 밀착된 상태로 설치되어 있고, 상기 원통형 캔의 내면에는 환형 링의 설치 및 고정이 용이할 수 있도록 상기 환형 링의 일부가 삽입될 수 있는 소정의 그루부가 형성되어 있으며, 상기 원통형 캔에 탑 캡이 탑재된 상태에서 계면 상단을 따라 용접하는 것에 의해, 원통형 캔에 대한 탑 캡의 결합을 이루는 것으로 구성되어 있는 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 구조는 탑 캡이 원통형 캔의 내측에 삽입된 상태에서 용접을 위한 계면 상단이 원통형 캔의 상단면과 일치하도록, 탑 캡의 높이를 고려한 위치에서, 원통형 캔의 내면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 원통형 캔의 내부에 젤리-롤형 전극조립체가 삽입되고 상기 캔의 상단에 탑 캡이 결합되는 원통형 전지로서, 탑 캡의 외주면이 원통형 캔의 상단 내주면과 계면을 형성하도록 탑재되고, 상기 원통형 캔의 내면에는 탑 캡의 정위치 탑재를 위한 지지 구조가 형성되어 있고, 상기 지지 구조는 탑 캡이 삽입되는 위치에서 원통형 캔의 내면에 아래쪽을 향해 내경이 좁아지는 단차가 형성되어 있는 구조이며, 상기 원통형 캔에 탑 캡이 탑재된 상태에서 계면 상단을 따라 용접하는 것에 의해, 원통형 캔에 대한 탑 캡의 결합을 이루는 것으로 구성되어 있는 전지.
7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 그루부 또는 단차는 단조 공정에 의해 캔의 내면에 형성되는 것을 특징으로 하는 전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 용접은 레이저 용접에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전지.

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