KR100875608B1

KR100875608B1 - 각형 전지의 전기 절연성 탑 캡

Info

Publication number: KR100875608B1
Application number: KR1020040105851A
Authority: KR
Inventors: 오동명; 김동명; 조범진; 최권영
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2008-12-24
Also published as: KR20060067253A

Abstract

본 발명은, 각형 전지의 탑 캡에 있어서, 본체가 전기 절연성 소재로 되어 있고 중앙에 전극 단자가 관통되어 있으며, 일측에 전해액 주입구가 형성되어 있어서, 탑 캡의 상단면과 하단면이 전극 조립체, 안전소자, PCM 등에 대해 전기 절연상태를 유지하므로 별도의 절연부재가 필요치 않으며, 전해액 주액 후 주입구의 밀봉을 용이하게 행할 수 있으므로, 각형 전지의 제조공정을 크게 단축할 수 있는 절연성 탑 캡과, 그러한 탑 캡을 포함하는 것으로 구성된 각형 이차전지를 제공한다.

Description

각형 전지의 전기 절연성 탑 캡 {Top Cap of Electric Insulation for Prismatic Battery}

도 1a는 스택형 전극 조립체를 내장하고 있는 종래기술의 각형 전지의 부분 모식도이다;

도 1b는 젤리-롤형 전극 조립체를 내장하고 있는 종래기술의 각형 전지의 부분 모식도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑 캡을 각형 전지 케이스에 탑재하기 전의 사시도이다;

도 3a는 도 2의 탑 캡의 수직 단면도이다;

도 3b는 도 2의 탑 캡의 평면도이다;

도 3c는 도 2의 탑 캡의 저면도이다.

도면의 주요 부호에 대한 설명

100: 각형 전지

200: 각형 전지 케이스

300: 탑 캡

310: 절연성 본체

320: 음극 단자

330: 전해액 주입구

340: 도전성 체결부

400: 플라스틱 리벳

본 발명은 각형 전지의 전기 절연성 탑 캡에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각형 전지의 탑 캡에 있어서 본체가 전기 절연성 소재로 되어 있고 중앙에 음극 단자가 관통되어 있으며 일측에 전해액 주입구가 형성되어 있어서, 탑 캡의 상단면과 하단면이 전극 조립체, 안전소자, PCM 등에 대해 전기 절연상태를 유지하므로 별도의 절연부재가 필요치 않으며, 전해액 후 주입구의 밀봉을 용이하게 행할 수 있으므로, 각형 전지의 제조공정을 크게 단축할 수 있는 절연성 탑 캡과, 그러한 탑 캡을 포함하는 것으로 구성된 각형 이차전지를 제공한다.

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 형상에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류되는데, 디바이스의 소형 경박화의 경향에 따라 그에 적합한 각형 전지와 파우치형 전지의 수요가 크게 증가하고 있다.

일반적으로, 각형 전지는 젤리-롤형의 양극/분리막/음극 전극 조립체를 각형의 전지 케이스에 넣고 개방 상단을 탑 캡으로 덮으며 탑 캡 상의 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입한 뒤 밀봉하여 제작한다.

도 1a에는 스택형 전극 조립체를 내장하고 있는 종래기술의 예시적인 각형 전지의 모식도가 도시되어 있고, 도 1b에는 젤리-롤형 전극 조립체를 내장하고 있는 종래기술의 예시적인 각형 전지의 모식도가 도시되어 있다.

우선, 도 1a를 참조하면, 각형 전지(10)는, 양극과 음극이 분리막을 개재한 상태로 적층되어 있는 전극 조립체(20), 전극 조립체(20)가 내장되어 있는 각형의 케이스(30), 케이스(30)의 개방 상단을 덮는 탑 캡(40)으로 이루어져 있다. 케이스(10)는 일반적으로 알루미늄 판재를 딥 드로잉하여 제작되며, 전극 조립체(30)의 하나의 전극(예를 들어, 양극)으로부터 리드(21)가 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극 단자를 형성한다. 반면에, 또다른 전극(예를 들어, 음극; 도시하지 않음)은 리드를 통해 탑 캡(40) 상의 전극 단자(41)에 전기적으로 연결되어 음극 단자를 형성한다. 탑 캡(40) 역시 알루미늄으로 이루어져 있고, 음극 단자(41)는 절연부재(42)에 의해 탑 캡으로부터 전기적으로 절연되어 있다.

전극 조립체(20)가 케이스(30)에 안착된 상태에서 이를 안정적으로 고정하고 탑 캡(40)과의 전기적 절연상태를 유지하기 위하여, 전극 조립체(20)와 탑 캡(40) 사이에 절연부재(50)가 삽입된다. 일반적으로는, 도 1a에서의 절연부재(50) 이외에, 도 1b에서와 같은 시트상 절연부재(도 1b의 90)를 전극 조립체(20) 위에 설장하여 탑 캡(40)과의 절연성 상태를 더욱 보장한다.

각형 케이스(30)에 전극 조립체(20)를 안착시키고, 절연부재(50)와 시트상 절연부재를 삽입한 뒤, 탑 캡(40)을 덮고, 탑 캡(40)과 케이스(30)의 접촉면을 따라서 레이저, 저항, 초음파 등에 의한 용접을 행한다.

그런 다음, 탑 캡(40)의 한쪽에 형성되어 있는 전해액 주입구(43)를 통해 전해액을 주입하며, 예를 들어, 금속 볼(60)을 삽입하고 금속부재(61)로 덮은 뒤 용접을 행한다. 일반적으로는, 용접 부위의 밀봉성을 보장하기 위하여 에폭시 등의 수지로 용접 부위를 재차 도포한 뒤, 별도의 절연부재(예를 들어, 유포지)로 덮고, 그 위에 PTC, 바이메탈 등의 안전소자와 보호회로 모듈(PCM) 등을 설장한다.

도 1b를 참조하면, 젤리-롤형 각형전지(70)는 젤리-롤형 전극 조립체(80)를 각형 케이스(30)에 수납하고, 상기 케이스(30) 내에 전해액을 넣은 후에, 상기 케이스(30)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자: 44)가 형성되어 있는 탑 캡(40)을 결합하여 제작한다. 전극 조립체(80)의 양극은 양극 탭(81)을 통해 탑 캡(40) 상의 양극 단자(41)에 전기적으로 연결되며, 그러한 양극 단자(44)는 절연부재(45)에 의해 탑 캡(40)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극 조립체(80)의 또다른 전극(예를 들어, 음극)은 그것의 음극 탭(82)이 알루미늄과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(40)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 음극 단자를 형성한다.

또한, 전극 탭들(81, 82)을 제외하고 전극 조립체(80)와 탑 캡(40)의 절연성 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(30)와 전극 조립체(80) 사이에 시트상 절연부재(90)를 삽입한 뒤, 탑 캡(40)을 덮고, 탑 캡(40)과 케이스(30)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 전해액 주입구(43)를 통한 전해액을 주입과, 에폭시 등에 의한 용접 부위의 도포, 및 안전소자와 보호회로 모듈(PCM) 등의 설장은 도 1a의 스택형 각형전지(10)에서와 동일하다.

이상의 설명과 같이, 종래의 각형 전지들은, 탑 캡(40)과 전극 조립체(20)와의 전기적 절연성을 확보하고 탑 캡(40) 위에 설장되는 안전소자, 보호회로 모듈 등과의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 별도의 절연부재들을 설치하는 등의 공정을 거치며, 더욱이 전해액 주입구의 밀봉과 그것의 밀봉상태를 보장하기 위한 별도의 공정을 거치고 있다.

따라서, 탑 캡 자체의 특정한 구성에 의해 상기와 같은 전기적 절연성을 확보하고 전해액 주입을 용이하게 수행함으로써 전지의 제조공정을 단축할 수 있다면 매우 바람직할 것이다.

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

본 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전극 단자(예를 들어, 음극 단자)의 주변과 전해액 주입구를 포함한 탑 캡의 본체를 전기 절연성 수지로 성형한 특정한 구조의 탑 캡을 제조할 수 있었고, 이러한 탑 캡은 그것의 상단면과 하단면에서의 전기적 절연성이 보장되며 전해액 주입후의 주입구 밀봉을 용이하게 수행함으로써, 각형 전지의 제조공정을 혁신적으로 단축할 수 있음을 확인하였다. 본 발명은 이를 바탕으로 완성되었다.

따라서, 본 발명의 첫 번째 목적은 상기와 같은 효과를 발휘할 수 있는 특정한 구조의 전기 절연성 탑 캡을 제공하는 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 상기 탑 캡을 포함하는 것으로 구성된 각형 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 절연성 탑 캡은, 각형 케이스의 개방 상단에 체결될 수 있는 장방형의 전기 절연성 수지 본체, 상기 본체의 중앙을 관통하여 상단과 하단에 돌출되어 있는 도전성 전극 단자 및 상기 본체의 일측에 관통되어 있는 전해액 주입구를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

상기 탑 캡은, 그것의 상단면과 하단면이 전극 단자만을 제외하고는 전기 절연성 수지로 이루어져 있어서, 하단면의 경우, 전극 조립체와의 전기적 절연을 이루기 위한 별도의 부재를 필요로 하지 않으며, 상단면의 경우, 안전소자, PCM 등을 설장하기 위한 별도의 절연성 부재를 부착할 필요가 없다. 또한, 전해액 주입구 역시 절연성 수지로 이루어져 있어서, 전해액을 주입한 후, 예를 들어, 플라스틱 리벳을 전해액 주입구에 삽입한 후 가열 융착시킬 수 있으므로, 밀봉성의 보장을 위해, 예를 들어, 에폭시 수지 등으로 재차 도포할 필요가 없다.

상기 본체의 소재는 전기 절연성이며 성형 후 전지 케이스의 탑 캡으로서 적정한 강도를 갖는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부타디엔, 이들의 둘 또는 그 이상의 공중합체, 또는 이들의 둘 또는 그 이상의 블렌드 등이 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 그러한 수지에 강화제를 첨가한 복합체가 사용될 수도 있다.

상기 본체는 바람직하게는 케이스와 접하는 측면의 적어도 일부가 하향 돌출되어 있어서, 탑 캡을 케이스에 밀폐시킬 때, 전극 조립체의 상단을 가압하여 전극 조립체를 케이스 내부에 안정적으로 고정시킬 수 있다.

상기 전극 단자는 도전성 소재로 이루어져 있으며, 전극 조립체 중의 하나의 전극(예를 들어, 음극)과 전기적으로 연결되어 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 전극 단자는 절연성 본체와의 접촉부위에 만입부가 형성되어 있어서 본체와의 결합력을 더욱 높일 수 있다. 이러한 만입부는 절연성 본체와 전극 단자의 접촉면적을 크게 하여 결합력을 높일 수 있다. 전극 단자가 절연성 본체를 관통하여 그것의 상단과 하단에 돌출되도록 제작하는 것은 당업자에게 용이하다. 예를 들어, 금형의 성형공간내 적정한 부위에 전극 단자를 위치시키고 절연성 본체를 형성하는 수지를 주입하는 인서트 사출성형에 의해 제작될 수 있다.

절연성 본체의 외주면은 케이스의 개방 상단에 결합될 수 있는 형상이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 절연성 본체의 외주면은 각형 케이스의 개방 상단에 삽입에 의해 결합될 수 있는 구조로 이루어져 있다. 또다른 예로서, 케이스의 상단이 약간 클램핑(clamping)되어 있고, 절연성 본체의 외주면은 그에 상응하는 만입부가 형성되어 있어서, 체결시의 결합력과 밀봉력을 더욱 높일 수도 있다.

하나의 바람직한 예에서, 절연성 본체의 외주면을 따라 각형 케이스 본체와 접하는 부위에 도전성 체결부가 형성되어 있다. 바람직하게는 상기 절연성 본체는 도전성 체결부와의 접촉부위에 만입부가 형성되어 있어서 본체와의 결합력을 더욱 높일 수 있다. 이러한 체결부의 형성 역시 앞서 설명한 바와 같은 인서트 사출성형 등에 의해 용이하게 제작될 수 있다. 상기 도전성 체결부는 바람직하게는 케이스 본체와 동일한 소재(예를 들어, 알루미늄)로 이루어져 있어서, 케이스 상에 탑 캡을 설치한 후 레이저, 초음파, 저항 등의 용접에 의해 결합시킬 수 있다.

본 발명은 또한 상기 절연성 탑 캡을 포함하는 것으로 구성된 각형 이차전지를 제공한다.

각형 이차전지는 각형 전지 케이스에 전극 조립체가 안착된 상태에서 탑 캡을 결합시켜 제조되며, 전극 조립체는 젤리-롤형과 스택형이 모두 가능하다.

이하, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 조립단계의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 이차전지(100)는 전극 조립체(도시하지 않음)가 내부에 안착되어 있는 각형 전지 케이스(200)에 본 발명에 따른 절연성 탑 캡(300)을 결합시켜 제조된다.

탑 캡(300)은 각형 케이스(200)의 개방 상단(210)에 대응하는 형상의 장방형 구조물로서 상단과 하단에 절연성 본체(310)가 일체로서 형성되어 있고, 중앙에 음극 단자(320)를 포함하고 있으며, 한쪽에 전해액 주입구(330)가 절연성 본체(310)를 관통하여 형성되어 있다. 또한, 절연성 본체(310)의 외주면을 따라 각형 케이스(200)와 동일한 소재의 도전성 체결부(340)가 형성되어 있다. 탑 캡(300)을 각형 케이스(200)의 개방 상단(210)에 체결한 후 체결부(340)과 각형 케이스(200) 상단면의 접촉부위를 용접시켜 상호 결합하게 된다.

도 3a 내지 3c에는 도 2의 이차전지에 대한 수직 단면도, 평면도 및 저면도가 각각 도시되어 있다.

도 3a를 참조하면, 절연성 본체(310)는 탑 캡(300)의 상단면과 하단면으로 각각 노출되도록 일체로서 형성되어 있다. 음극 단자(320)는 그러한 탑 캡(300)을 관통하여 그것의 상단과 하단이 절연성 본체(310)로부터 노출되어 있다. 음극 단자(320)의 측면은 절연성 본체(310)과의 접촉부위에 만입부(322)를 포함하고 있어서, 높은 결합력을 갖는다. 그와 같은 접촉 면적을 크게 하여 결합력을 높이는 방법은 다양한 구조에 의해 실현될 수 있으며, 예를 들어, 음극 단자(320)의 측면에 만입부(312) 대신 돌출부를 형성하여 달성될 수 있다. 이들 다양한 변형들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

한편, 양극 단자(350)는 절연성 본체(310)의 하단에만 형성되어 있고 케이스(200)에 전기적으로 연결될 수 있도록 측면으로 연장되어 있다. 경우에 따라서는, 절연성 본체(310)의 하단에 별도의 양극 단자(350)를 형성하지 않고 전극 조립체(도시하지 않음)로부터 직접 케이스(200)에 전기적으로 연결할 수도 있다.

절연성 본체(310)의 외주면에 형성되어 있는 도전성 체결부(340) 역시, 절연성 본체(310)과의 결합력을 높이기 위하여, 도전성 체결부(340)가 접하는 절연성 본체(310)의 측면에 만입부(312)가 형성되어 있다.

케이스(200)의 내측면과 접하는 절연성 본체(310)의 양측 하단(314)은 케이스(200)에 내장된 전극 조립체(도시하지 않음)의 상단을 가압하여 전극 조립체가 안정적으로 고정될 수 있도록, 하향 돌출되어 있다.

도 3b 및 3c를 참조하면, 탑 캡(300)의 상단과 하단은, 케이스(도 3a의 200)와 결합되는 외주면의 도전성 체결부(340)와 중앙의 음극 단자(320) 및 양극 단자(350: 하단에는 나타나지 않음)를 제외하고는 절연성 본체(310)만이 나타나게 되므로, 탑 캡(300)의 상단과 하단에 별도의 절연부재를 설치 또는 도포하지 않더라도 전극 조립체 및 안전소자, PCM 등과의 전기적 절연을 달성할 수 있다. 따라서, 전지의 제조공정이 매우 단축될 수 있다.

다시 도 3a를 참조하면, 탑 캡(300)의 한쪽 부위에는 전해액 주입구(330)가 절연성 본체(310)를 관통하여 형성되어 있다. 탑 캡(300)을 각형 케이스(200)에 결합시켜 케이스 내부를 밀봉한 상태에서, 전해액 주입구(330)를 통해 케이스(200) 내부로 전해액을 주입하게 된다. 전해액을 주입한 후에는 플라스틱 리벳(400)을 전해액 주입구(330)에 삽입하고 가열 융착시킬 수 있다. 상기 리벳(400)이 절연성 본체(310)와 동일한 소재로 만들어진 경우에는 융착에 의한 결합력이 더욱 높아질 수 있다. 경우에 따라서는, 플라스틱 리벳(400)의 표면에 열경화성 또는 광경화성 접착제를 도포한 상태에서 전해액 주입구(330)에 삽입할 수도 있다.

종래기술에서는 알루미늄 탑 캡의 전해액 주입구에, 예를 들어, 금속 볼 등을 삽입하고 그 상단에 다시 금속부재를 도포한 후 용접을 행하였고, 밀봉성을 확보하기 위하여 에폭시 수지를 도포한 후, 다시 전기 절연성을 얻기 위해 유포지 등을 그 위에 도포하는 공정을 거쳤다. 그러나, 본 발명에서는 전기 절연성 소재의 탑 캡 본체(310)와 역시 전기 절연성의 리벳(400)을 사용함으로써 이러한 과정을 대폭 생략할 수 있게 된다.

이상, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

앞서의 설명과 같이, 본 발명에 따른 절연성 탑 캡은 절연성 본체로 이루어져 있어서 하부의 전극 조립체, 상부의 안전소자, PCM 등과의 전기적 절연이 별도의 절연부재 없이도 달성될 수 있으며, 전해액 주입 후의 탑 캡 밀봉 과정도 가열 융착에 의해 용이하게 달성될 수 있으므로, 각형 이차전지의 제조공정을 혁신적으 로 단축할 수 있다. 또한, 탑 캡과 전극 조립체 사이에 별도의 절연부재를 사용하지 않음으로써 종래기술의 전지보다 큰 전극 조립체의 사용을 가능하게 하여 전지의 용량을 늘릴 수 있는 효과도 갖는다.

Claims

각형 케이스의 개방 상단에 체결될 수 있는 장방형의 전기 절연성 수지 본체, 상기 본체의 중앙을 관통하여 상단과 하단에 돌출되어 있는 도전성 전극 단자, 및 상기 본체의 일측에 관통되어 있는 전기 절연성 수지 전해액 주입구를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전기 절연성 탑 캡.
제 1 항에 있어서, 상기 본체는, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부타디엔, 이들의 둘 또는 그 이상의 공중합체, 또는 이들의 둘 또는 그 이상의 블렌드, 또는 이들 수지에 강화제를 첨가한 복합체로 만들어진 것을 특징으로 하는 전기 절연성 탑 캡.
제 1 항에 있어서, 상기 본체는, 상기 탑 캡을 케이스에 밀폐시킬 때 전극 조립체의 상단을 가압하여 전극 조립체를 케이스 내부에 안정적으로 고정시킬 수 있도록, 케이스와 접하는 상기 본체의 측면의 적어도 일부가 하향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 탑 캡.
제 1 항에 있어서, 상기 탑 캡은, 전해액을 주입한 후 전기 절연성 리벳을 전해액 주입구에 삽입한 후 가열 융착하여 밀봉하는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 탑 캡.
제 1 항에 있어서, 상기 전극 단자는 상기 본체와의 접촉부위에 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 탑 캡.
제 1 항에 있어서, 상기 본체의 외주면을 따라 각형 케이스 본체와 접하는 부위에 도전성 체결부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 탑 캡.
제 6 항에 있어서, 상기 본체는 상기 도전성 체결부와의 접촉부위에 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 탑 캡.
제 6 항에 있어서, 상기 도전성 체결부는 케이스와 동일한 소재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 탑 캡.
제 1 항에 있어서, 상기 본체의 하단에는 상기 전극 단자(a)와 이격되어 또 다른 전극 단자(b)가 형성되어 있고, 상기 전극 단자(b)는 탑 캡이 도전성 케이스와 결합될 때 그러한 케이스에 전기적으로 연결되기 위해 측면으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 절연성 탑 캡.
제 1 항에 따른 전기 절연성 탑 캡이 각형 케이스의 개방 상단에 체결되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.