KR100875108B1 - 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단자부에 접합되는 전극 탭의 접합 강도를 높여 전극 탭이 보다 견고하게 접합되도록 하기 위한 것으로, 제 1 전극판과 제 2 전극판이 세퍼레이터를 개재하여 구비되고, 상기 제 1 및 제 2 전극판으로부터 각각 인출된 제 1 및 제 2 전극 탭을 구비한 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 수납되는 캔과, 상기 캔을 밀봉하는 캡 플레이트를 갖는 캡 조립체와, 상기 제 1 및 제 2 전극 탭에 각각 전기적으로 연결되고 서로 절연된 제 1 및 제 2 단자부와, 상기 제 1 및 제 2 단자부 중 적어도 하나의 상기 제 1 및 제 2 전극 탭이 접합되는 부분에 형성된 소정 패턴의 널링(knurling) 홈을 갖는 널링부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.

Description

이차전지{Secondary battery}

도 1은 종래의 각형 이차전지를 도시한 분해 사시도.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 캡 플레이트에 정극 탭을 초음파 용접하는 상태를 나타내는 도면들.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 분해 사시도.

도 4는 도 3의 캡 플레이트를 도시한 사시도.

도 5는 도 4의 A-A부를 나타내는 부분 확대 단면도.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이차전지의 캡 플레이트에 제 1 전극 탭을 초음파 용접하는 상태를 나타내는 도면들.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이차전지의 캡 플레이트에 제 1 전극 탭이 접합된 상태를 나타내는 단면도.

〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉

30: 초음파 혼 31: 앤빌

34: 혼 팁 41: 캔

42: 캡 조립체 43: 캡 플레이트

44: 절연 플레이트 45: 단자 플레이트

46: 단자 핀 47: 널링부

47a: 널링 홈 50: 전극 조립체

54: 제 1 전극 탭 55: 제 2 전극 탭

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 탭을 전극 단자부에 보다 견고히 접합되도록 할 수 있는 이차전지에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-수소전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로, 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와 고분자전해질 전지로 분류되며, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 또한, 리튬이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형, 그리고 파우치형이 있다.

도 1에는 각형 이차 전지를 나타내었는 데, 젤리 롤 전극 조립체를 채용하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 각형 이차 전지(10)는 일면이 개구된 직육면체의 각형 캔(11)의 내부에 전극 조립체(20)와 전해질 물질이 수용된다. 상기 젤리 롤 전극 조립체(20)는 각각 정극 및 부극 활물질을 포함한 정극 및 부극 합제가 도포된 정극판과 부극판을 세퍼레이터로 상호 격리시키고, 상기 정극판, 부극판 및, 세퍼레이터를 젤리 롤(jelly roll)의 형태로 감아서 형성된 것으로, 전극 조립체(20)의 일측에는 상기 정극판 및 부극판과 각각 연결된 정극 탭(24) 및 부극 탭(25)이 형성된다. 상기 캔(11)의 개구부에는 캡 조립체가 결합되어 캔을 밀봉하는 데, 상기 캡 조립체는 캔(11)의 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트(12)와, 상기 캡 플레이트(12)에 형성된 삽입공(12a)에 삽입되는 절연 튜브(17)와, 상기 절연 튜브(17)에 형성된 구멍에 삽입되고 상기 전극 조립체(20)의 부극 탭(25)에 전기적으로 연결되는 단자 핀(16)과, 상기 부극 탭(25)과 캡 플레이트(12)를 전기적으로 절연시키는 절연 플레이트(13)를 구비한다. 도면 번호 12b로 표시된 것은 전해액 주입구로서, 캡 플레이트(12)가 캔(11)에 조립된 이후에 전해액을 그것을 통해 주입하고 도시되지 아니한 플러그로 밀폐하게 된다. 한편, 핀(16)은 상기 절연 플레이트(13)의 하부에서 단자 플레이트(14)와 더 결합되고, 이러한 캡 플레이트와 전극 조립체(20)의 사이에는 전극 조립체(20)의 요동을 방지하기 위한 절연 케이스(15)가 더 개재된다.

또한, 상기 단자 핀(16)에 연결되지 않는 전극 조립체(20)의 정극 탭(24)은 캡 플레이트(12)의 저면에 용접되는 데, 이렇게 조립된 각형 이차전지는 상기 단자 핀(16)이 부극으로 작용하게 되고, 이 핀을 제외한 캡 플레이트(12) 및 캔(11) 전체가 정극으로 작용하게 된다.

이 때, 상기 정극 탭(24)은 알루미늄으로 구비되는 데, 동일하게 알루미늄으로 형성된 캡 플레이트(12)의 저면에 초음파 용접에 의해 용접된다. 도 2a 및 도 2b는 상기 캡 플레이트(12)의 저면에 정극 탭(24)이 초음파 용접되는 상태를 나타낸 것으로, 먼저, 도 2a에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 캡 플레이트(12)를 앤빌(31)에 받치고, 캡 플레이트(12)에 정극 탭(24)을 얹은 후, 그 상부에서 초음파 혼(HORN: 30)을 가압한 다음 상기 초음파 혼(30)의 첨단에 위치한 혼 팁(HORN TIP: 32)에 진동을 가하여 용접을 행한다.

이러한 초음파 용접은 피용접재에 진동을 주어 피용접재와 모재의 계면에서의 마찰열에 의해 용접이 이루어지도록 하는 것으로, 용접 강도를 더욱 높이기 위하여 도 2a에서 볼 수 있는 바와 같이 초음파 혼(30)의 첨단에 혼 팁(32)을 형성한다. 상기 혼 팁(32)은 산모양으로 형성된 돌기(32a)를 구비하도록 하여 이 돌기(32a)들이 도 2b와 같이 정극 탭(24)과 캡 플레이트(12)를 압박하여 이들 정극 탭(24)과 캡 플레이트(12)의 계면에 산모양의 굴곡을 형성하도록 함으로써 계면의 접촉면적을 늘리고, 이에 따라 용접 강도를 증대시키는 것이다.

그러나, 상술한 바와 같이 용접이 이루어지는 정극 탭(24)과 캡 플레이트(12)는 비록 동일하게 알루미늄 재질이라 하더라도 서로 연성이 다르므로, 상기 혼 팁(32)에 의해 압박되어지는 정도가 다르게 된다. 즉, 상기 캡 플레이트(12)는 상기 정극 탭(24)에 비해 상대적으로 더 강하기 때문에 상기 혼 팁(32)의 돌기(32a)들이 갖는 굴곡이 상기 캡 플레이트(12)에 충분히 전달되지 못하게 된다. 따라서, 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이, 캡 플레이트(12)에는 상기 혼 팁(32a)에 의해 형성된 형상이 얕게 되어 이에 따라 용접성이 떨어지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단자부에 접합되는 전극 탭의 접합 강도를 높여 보다 견고하게 접합되도록 할 수 있는 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 전극판과 제 2 전극판이 세퍼레이터를 개재하여 구비되고, 상기 제 1 및 제 2 전극판으로부터 각각 인출된 제 1 및 제 2 전극 탭을 구비한 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 수납되는 캔과, 상기 캔을 밀봉하는 캡 플레이트를 갖는 캡 조립체와, 상기 제 1 전극 탭에 접합되는 제 1 단자부와, 상기 제 2 전극 탭에 접합되고 상기 제 1 단자부와 절연된 제 2 단자부와, 상기 제 1 단자부의 부분 중 상기 제 1 전극 탭과 접합되는 부분에 형성된 것으로, 소정 패턴의 널링(knurling) 홈을 갖고 상기 제 1 전극 탭과 접합되는 널링부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 제 1 전극 탭의 상기 널링부와 접합되는 부분의 반대측 면에는 상기 널링 홈의 간격보다 좁은 간격으로 구비된 홈이 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제 1 전극 탭은 상기 제 1 단자부에 초음파 용접되고, 상기 널링부의 널링 홈의 간격은 상기 제 1 전극 탭의 상기 널링부와 접합되는 부분의 반대측 면을 가압하는 초음파 용접기의 혼 팁(horn tip)의 간격보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제 2 단자부는 상기 캡 플레이트에 절연되도록 관통 형성된 단자 핀으로 구비되고, 상기 제 1 단자부는 상기 캡 플레이트로 구비되며, 상기 널링부는 상기 캡 플레이트의 저면에 형성될 수 있다.

이 때, 상기 제 1 전극 탭 및 캡 플레이트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구비될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 이차전지는 캔(41)과, 상기 캔(41)의 내부에 수용되는 젤리-롤형의 전극조립체(50)와, 상기 캔(41)의 상부에 결합되는 캡 조립체(42)를 포함한다.

상기 캔(41)은 대략 사각형상을 가진 금속재로 이루어져 있으며, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다.

상기 캔(41)에 수납되는 전극 조립체(50)는 제 1 전극판과 제 2 전극판이 세 퍼레이터를 개재하여 구비된 것으로 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판이 세퍼레이터를 개재하여 권취된 젤리 롤 형상을 갖는다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 전극판의 정극판일 수 있고, 상기 제 2 전극판은 부극판일 수 있으나, 그 극성을 반대로 하여도 무방하다.

상기 정극판은 스트립 형상의 금속박판으로 된 정극 집전체를 구비하며, 상기 정극 집전체로는 알루미늄 박판이 사용될 수 있다.

상기 정극 집전체의 적어도 일면에는 정극 활물질을 포함한 정극합제가 코팅되는 데, 상기 정극 합제는 리튬계 산화물의 정극 활물질에, 바인더, 가소제, 도전재 등이 함유된 혼합물로 이루어질 수 있다.

상기 부극판은 스트립 형상의 금속박판으로 된 부극 집전체를 구비하며, 상기 부극 집전체로는 구리 박판이 사용될 수 있다.

상기 부극 집전체의 적어도 일면에는 부극합제가 코팅되는 데, 상기 부극 합제는 탄소재의 부극 활물질에, 바인더, 가소제, 도전재 등이 함유된 혼합물로 이루어질 수 있다.

이러한 정극판의 일측과 부극판의 일측 사이 및 정극판의 타측에는 각각 세퍼레이터가 설치되고, 이 적층체가 권취되어 전극 조립체를 형성한다. 상기 세퍼레이터는 정극판과 부극판 사이를 상호 절연하는 한편, 극판들간에 활물질 이온이 교환될 수 있게 한다. 상기 세퍼레이터는 전극 조립체가 수축 및 팽창되더라도 극판들 사이를 완전히 절연할 수 있도록 충분한 길이로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 형성된 전극 조립체(50)의 상부로는 제 1 전극탭(54) 및 제 2 전극탭(55)이 외부로 인출되어 있다. 상기 제 1 전극 탭(54) 및 제 2 전극 탭(55)은 각각 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판에 접합되어 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 전극 탭(54)은 정극 탭, 상기 제 2 전극 탭(55)은 부극 탭일 수 있으며, 이 때, 상기 제 1 전극 탭(54)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 상기 제 2 전극 탭(55)은 니켈 또는 니켈 합금으로 구비될 수 있다. 상기와 같은 제 1 전극 탭(54) 및 제 2 전극 탭(55)은 그 극성을 서로 달리하여 구성될 수 있음은 물론이다. 그리고, 도면으로 나타내지는 않았지만 상기 제 1 및 제 2 전극 탭(54)(55)의 상기 전극 조립체(50)의 외부로 돌출되는 부분에서는 극판간의 단락을 방지하기 위하여 절연테이프가 감싸질 수 있다.

이러한 전극 조립체(50)의 제 1 및 제 2 전극 탭(54)(55)은 이차전지의 외부로 드러나는 제 1 단자부 및 제 2 단자부에 각각 전기적으로 연결되어 사용된다. 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부는 상기 캔(41) 및 후술할 캡 조립체(42)에 구비될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 캡 조립체(42)는 캔(41)의 개구부를 밀봉하는 것으로, 상기 캔(41)과 동일한 재질로 형성될 수 있는 캡 플레이트(43)와, 상기 캡 플레이트(43)에 절연되도록 관통 형성된 단자 핀(46)을 구비할 수 있다. 상기 단자 핀(46)은 상기 캡 플레이트(43)에 절연 튜브(미도시)를 개재하여 관통 형성되고, 캡 플레이트(43)의 저면에서 절연 플레이트(44) 및 단자 플레이트(45)에 더 결합될 수 있다. 상기와 같은 캡 조립체(42)에 상기 전극 탭들이 접합되는 데, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 전극 탭(54)은 캡 플 레이트(43)의 저면에 접합되고, 상기 제 2 전극 탭(55)은 단자 핀(46)에 접합될 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 캡 플레이트(43) 및 이와 동일한 재질로 이루어진 캔(41)이 제 1 전극 탭(54)에 전기적으로 연결된 제 1 단자부가 되고, 상기 단자 핀(46)이 상기 제 2 전극 탭(55)에 전기적으로 연결된 제 2 단자부가 되는 것이다. 상기와 같은 캡 조립체(42)의 구조는 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형 실시 가능하다. 즉, 도면에 나타낸 바와 같이 캡 플레이트의 중앙부에 단일의 단자 핀을 구비하도록 하는 것이 아닌 양 측방으로 두 개의 단자 핀을 서로 절연되도록 구비하도록 하고, 각 단자 핀에 제 1,2 전극 탭이 접합되도록 해, 각 단자 핀이 제 1,2 단자부를 구성하도록 할 수도 있으며, 그 밖에도 적용 가능한 어떠한 형태라도 적용될 수 있다.

도면 부호 43b는 전해액 주입구를 나타내는 것으로, 상기 캡 조립체(42)의 접합 후에 상기 전해액 주입구(43b)를 통해 전해액이 주입되고 밀봉되는 것이다.

상기와 같은 구성을 갖는 이차전지에 있어서, 본 발명에 의하면, 상기 제 1 및 제 2 단자부 중 적어도 하나의 상기 제 1 전극 탭(54) 및 제 2 전극 탭(55)이 접합되는 부분에 형성된 소정 패턴의 널링(knurling) 홈을 갖는 널링부가 더 구비되도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 캡 플레이트(43)의 저면과 상기 단자 핀(46)의 저면 중 적어도 하나의 부분에 널링부가 구비될 수 있는 것으로, 도 3 및 도 4에서 볼 수 있는 바와 같은 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 의하면, 상기 널링부(47)가 상기 제 1 전극 탭(54)이 접합되는 캡 플레이트(43) 저면의 상기 제 1 전극 탭(54)의 접합부위에 형성되도록 할 수 있다. 이는 상기 널링부(47)가 각 단자부에 접합되는 전극 탭의 초음파 용접 특성을 향상시키기 위한 것으로, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되는 상기 제 1 전극 탭(54)은 역시 알루미늄계인 캡 플레이트(43)에 초음파 용접되므로, 상기 널링부(47)가 그 용접 특성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 상기 제 2 전극 탭(55)이 상기 단자 핀(46)에 초음파 용접될 경우에도 본 발명의 널링부가 역시 적용될 수 있음은 물론이다.

상기 널링부(47)는 상기 캡 플레이트(43)의 저면에 초음파 용접되는 제 1 전극 탭(54)의 초음파 용접특성을 향상시키기 위한 것으로서, 도 4와 같이 적어도 그 접합부위에 형성되는 것이 바람직하나, 이보다 더 넓게 형성되는 것도 무방하다.

상기 널링부(47)는 도 5에서 볼 수 있듯이, 소정 패턴의 널링 홈(47a)이 복수개 구비되어 있는 데, 각 널링 홈(47a) 사이는 일정한 간격(W)을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

이렇게 널링부(47)가 구비된 캡 플레이트(43)의 저면에는 도 6a 및 도 6b에서 볼 수 있듯이, 제 1 전극 탭(54)이 초음파 용접되는 데, 먼저, 도 6a와 같이, 상기 널링 홈(47a)이 형성된 널링부(47)의 상부로 제 1 전극 탭(54)을 놓은 후 그 위로 초음파 용접기의 초음파 혼(horn:30)으로 가압한다. 이 때, 상기 초음파 혼(30)의 혼 팁(34)은 그 혼 팁(34)의 돌기(34a)들 사이의 간격(X)은 상기 널링부(47)의 널링 홈(47a)들 사이의 간격(W)보다 더 조밀하게 형성된 것을 사용할 수 있으며, 이에 따라 초음파 혼(30)의 진동이 더 많이 상기 제 1 전극 탭(54)에 전달될 수 있다. 이렇게 초음파 혼(30)이 제 1 전극 탭(54)을 가압함에 따라 도 6b에서 볼 수 있듯이, 제 1 전극 탭(54)은 캡 플레이트(43)의 널링부(47)의 널링 홈(47a)들 사이로 충분히 함침되고 초음파 혼(30)의 혼 팁(34)으로부터 전달된 초음파 진동은 제 1 전극 탭(54)과 캡 플레이트(43)의 계면에 충분히 전달되어 더욱 견고하게 용접될 수 있다.

이러한 용접이 끝난 후에는 도 7에서 볼 수 있듯이, 상기 제 1 전극 탭(54)은 그 상면, 즉, 상기 캡 플레이트(43)에 접합되는 반대측 면에 소정의 홈(54a)이 형성되며, 이 홈(54a)들 사이의 간격(Y)은 상기 캡 플레이트(43)의 널링부(47)의 널링 홈(47a)들 사이의 간격(W)보다 좁게 된다.

이상 설명한 것은 전극 탭의 초음파 용접 특성을 향상시킬 수 있는 각형 이차전지에 대한 것이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이 외에도 원통형 이차전지 등에도 적용될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 단자부에 초음파 용접되는 전극 탭들의 초음파 용접 강도 등 용접 특성이 더욱 향상되어 보다 견고하게 용접될 수 있으며, 이에 따라 이차 전지의 내구성 및 수명 등도 더욱 향상될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 제 1 전극판과 제 2 전극판이 세퍼레이터를 개재하여 구비되고, 상기 제 1 및 제 2 전극판으로부터 각각 인출된 제 1 및 제 2 전극 탭을 구비한 전극 조립체;

   상기 전극 조립체가 수납되는 캔;

   상기 캔을 밀봉하는 캡 플레이트를 갖는 캡 조립체;

   상기 제 1 전극 탭에 접합되는 제 1 단자부;

   상기 제 2 전극 탭에 접합되고 상기 제 1 단자부와 절연된 제 2 단자부; 및

   상기 제 1 단자부의 부분 중 상기 제 1 전극 탭과 접합되는 부분에 형성된 것으로, 소정 패턴의 널링(knurling) 홈을 갖고 상기 제 1 전극 탭과 접합되는 널링부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 전극 탭의 상기 널링부와 접합되는 부분의 반대측 면에는 상기 널링 홈의 간격보다 좁은 간격으로 구비된 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 전극 탭은 상기 제 1 단자부에 초음파 용접되고, 상기 널링부의 널링 홈의 간격은 상기 제 1 전극 탭의 상기 널링부와 접합되는 부분의 반대측 면을 가압하는 초음파 용접기의 혼 팁(horn tip)의 간격보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 2 단자부는 상기 캡 플레이트에 절연되도록 관통 형성된 단자 핀으로 구비되고, 상기 제 1 단자부는 상기 캡 플레이트로 구비되며, 상기 널링부는 상기 캡 플레이트의 저면에 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제 1 전극 탭 및 캡 플레이트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지.

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