KR100879297B1 - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이차 전지는 전극군과 집전판이 안정적으로 결합될 수 있도록, 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 케이스와 상기 케이스를 밀폐하며 전극 단자를 갖는 캡 조립체, 및 상기 전극군과 캡 조립체를 연결하며 상기 전극군에 삽입되는 집전 돌기들을 갖는 복수 개의 집전편으로 이루어진 집전판을 포함하며, 상기 집전 돌기들은 이웃하는 집전편의 집전 돌기들 사이에 끼워지고, 상기 집전 돌기들 사이에는 상기 양극 또는 음극에 형성된 무지부가 끼워진다.
이차 전지, 집전판, 집전편, 집전 돌기, 무지부

Description

이차 전지{RECHARGEABEL BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극군에 전기적으로 연결된 집전판의 구조를 개선한 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극군에 전기적으로 연결된 집전판의 구조를 개선한 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 하나의 셀로 이루어진 저용량 이차 전지의 경우, 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용된다. 복수개의 셀이 팩 형태로 연결된 대용량 이차 전지는 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있다.
그리고 이러한 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 직렬로 연결되어 대용량의 이차 전지 모듈을 구성하게 된다.
이차 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 위치하는 전극군과 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스, 케이스를 밀폐하는 캡 조립체를 포함한다.
이차 전지가 원통형으로 형성되는 경우, 전극군의 양극 및 음극에는 활물질이 도포되지 않은 무지부가 형성되고, 양극 무지부와 음극 무지부는 서로 다른 방향을 향하도록 배치된다.
음극 무지부에는 음극 집전판이 부착되고, 양극 무지부에는 양극 집전판이 부착되며, 음극 집전판은 케이스와 전기적으로 연결되고, 양극 집전판은 캡 조립체와 전기적으로 연결되어 외부로 전류를 유도하게 된다. 따라서 케이스는 음극 단자 역할을 하고, 캡 조립체에 설치된 캡 플레이트가 양극 단자 역할을 하게 된다.
양극 집전판과 캡 조립체는 도전성 금속으로 이루어진 리드부재에 의하여 전기적으로 연결되는 바, 리드부재와 용접된 상태로 케이스에 끼워진다. 캡 조립체를 끼운 후에는 클램핑을 하여 캡 조립체를 케이스에 고정한다.
이와 같이 전극군과 전기적으로 연결된 집전판을 통해서 외부로 전류가 인출되므로 전극군과 집전판이 안정적으로 접촉하는 것은 매우 중요하다.
또한, 고출력 전지의 경우 집전판을 통해서 대전류가 흐르므로 집전판의 고유저항이 작을수록 전력의 손실을 줄일 수 있다. 따라서 집전판의 두께를 두껍게 형성하는 것이 바람직하나, 집전판의 두께가 두꺼우면, 전극군으로 열이 잘 전달되지 않아 집전판과 전극군이 잘 용접되지 못하는 문제가 발생한다.
또한, 통상적으로 집전판과 전극군은 단순히 면접촉을 한 상태에서 용접되는데, 이러한 구조의 경우 집전판을 측방향으로 지지하는 구조가 없기 때문에 외부 충격이 가해지면 집전판과 전극군 사이의 접촉불량해지는 문제가 발생한다.
이와 같이 집전판과 전극군의 접촉이 불량해지면, 접촉 부위에서 저항이 커져서 이차 전지의 출력이 저하될 뿐만 아니라, 저항으로 인하여 많은 열이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전극군과 안정적으로 결합될 수 있는 집전판을 포함하는 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 집전판의 고유저항을 감소시켜 출력이 향상된 이차 전지를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 케이스와 상기 케이스를 밀폐하며 전극 단자를 갖는 캡 조립체, 및 상기 전극군과 캡 조립체를 연결하며 상기 전극군에 삽입되는 집전 돌기들을 갖는 복수 개의 집전편으로 이루어진 집전판을 포함하며, 상기 집전 돌기들은 이웃하는 집전편의 집전 돌기들 사이에 끼워지고, 상기 집전 돌기들 사이에는 상기 양극 또는 음극에 형성된 무지부가 끼워진다.
상기 집전편은 판형의 평판부와 상기 평판부에서 돌출된 복수 개의 집전 돌기들을 구비할 수 있으며, 상기 집전 돌기는 상기 평판부에서 상기 전극군을 향하여 경사지게 돌출된 경사부와 상기 경사부에서 상기 평판부와 평행하게 돌출된 연장부, 및 상기 연장부에서 상기 무지부를 향하여 돌출된 삽입부를 포함할 수 있다.
상기 삽입부는 쐐기 형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 서로 이웃하는 집전 돌기는 상기 연장부가 동일한 평면 상에 위치하도록 설치될 수 있다.
상기 집전판은 상기 집전 돌기 사이에 상기 무지부가 끼워진 상태에서 상기 무지부와 용접으로 고정될 수 있으며, 상기 무지부는 상기 연장부와 용접으로 고정될 수 있다. 또한, 상기 집전판은 두 개의 집전편으로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 집전판에 형성된 집전 돌기가 무지부에 삽입 설치되어 집전판과 무지부가 안정적으로 고정되므로 접촉저항을 최소화할 수 있다.
또한, 집전판과 무지부가 동일한 평면에서 용접되므로 집전판의 두께를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 집전판의 고유저항이 감소되므로 이차 전지의 출력이 향상된다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 절개 사시도이다.
상기한 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 양극(112)과 음극(113)이 세퍼레이터(114)를 사이에 두고 위치하는 전극군(110)과, 전해액과 함께 전극군(110)을 수용할 수 있도록 일측 선단에 개구부가 형성된 케이스(120)를 포함한다. 그리고 케이스(120)의 개구부에는 케이스(120)를 밀봉하는 캡 조립 체(140)가 개스킷(144)을 매개로 설치된다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 케이스(120)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 이루어진다.
그리고 본 실시예에 따른 케이스(120)의 형상은 전극군(110)이 위치하는 내부 공간을 가진 원통형으로 이루어진다. 캡 조립체(140)를 케이스(120)에 끼운 후, 클램핑하여 캡 조립체(140)를 케이스(120)에 고정시키게 되는데, 이 과정에서 케이스(120)에는 비딩부(123)와 클램핑부(125)가 형성된다.
본 실시예에 따른 전극군(110)은 양극(112)과 세퍼레이터(114) 및 음극(113)이 적층된 후, 와류상으로 감겨진 원통형 타입으로 이루어지나, 전극군(110)의 구조가 반드시 이것으로 한정되는 것은 아니고 다른 구조로도 이루어질 수 있다. 전극군(110)의 중심에는 공간이 형성되며 전극군(110)이 원통형의 형상을 유지할 수 있도록 이 공간에 센터 핀(170)이 설치된다.
그리고 양극(112)의 상단(도 1 기준)에는 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부(112a)가 형성되어 양극 집전판(160)과 전기적으로 연결된다. 또한, 음극(113)의 하단(도 1 기준)에는 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 무지부(113a)가 형성되어 음극 집전판(132)과 전기적으로 연결된다.
캡 조립체(140)는 돌출된 외부 단자와 배기구(143a)가 형성된 캡 플레이트(143)와, 캡 플레이트(143)의 아래에 설치되며 설정된 압력 조건에서 파손되어 가스를 방출하는 벤트 플레이트(142)를 포함한다. 벤트 플레이트(142)는 설정된 압력 조건에서 전극군(110)과 캡 플레이트(143)의 전기적 연결을 차단하는 역할을 한다.
캡 플레이트(143)와 벤트 플레이트(142)의 사이에는 양성온도소자(positive temperature coefficient element, 141)가 설치되는 바, 상기 양성온도소자(141)는 일정 온도를 넘으면 전기저항이 거의 무한대까지 커지는 장치로서, 이차 전지(100)가 정해진 값 이상의 온도가 되었을 때, 충전 및 방전 전류의 흐름을 차단시키는 역할을 한다.
벤트 플레이트(142)는 아래로 돌출된 구조로 이루어지며, 돌출된 부분의 하면에는 서브 플레이트(147)가 부착된다.
벤트 플레이트(142)의 가장자리에는 리드부(150)를 통해서 전극군(110)과 전기적으로 연결되며 서브 플레이트(147)에 고정된 미들 플레이트(146)와 이 미들 플레이트(146)와 벤트 플레이트(142) 사이에서 미들 플레이트(146)와 벤트 플레이트(142)를 절연 시키는 절연체(145)가 설치된다.
양극 집전판(160)은 두 개의 집전편(161, 165)이 상호 맞물린 구조로 이루어진다. 본 실시예에서는 양극 집전판을 예로서 설명하나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 음극 집전판도 본 실시예에 따른 양극 집전판과 동일한 구조로 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하여 집전편(161)에 대하여 자세히 살펴본다. 마주하는 두 개의 집전편(161, 165)은 동일한 구조로 이루어지므로 일측 집전편(161)에 대한 설명으로 다른 집전편(165)에 대한 설명을 대체한다.
집전편(161)은 평판부(162)와 평판부(162)에서 돌출된 복수 개의 집전 돌기 들(163)로 이루어진다. 집전 돌기(163)는 평판부(162)의 일측 단부에 형성되는 바, 평판부(162)의 측단에서 전방으로 돌출된 집전 돌기들(163)이 소정 간격으로 이격 형성된다. 집전 돌기(163)는 평판부(162)에서 하향 경사를 갖도록 돌출된 경사부(163a)와 경사부(163a)에 이어져 형성되며 평판부(162)와 평행하게 돌출된 연장부(163b), 및 연장부(163b)에서 수직으로 이어져 형성된 삽입부(163c)를 포함한다.
삽입부(163c)는 양극 무지부(112a) 사이에 용이하게 끼워질 수 있도록 끝이 뾰족하게 형성되어 있다. 그리고 평판부(162)는 평평한 반원형의 판형상으로 이루어지며, 중앙에 통기공(164)을 형성하고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 두 개의 집전편(161, 165)은 평판부(162, 166)와 복수 개의 집전 돌기들(163, 167)을 포함하며, 평판부들(162, 166)에는 통기공(164, 168)이 형성되어 있다. 그리고 평판부(162, 166)에서 돌출된 집전 돌기들(163, 167)이 서로 엇갈리도록 끼워져 양극 무지부(112a)와 접촉하도록 설치된다.
도 3은 양극 무지부(112a)에 설치된 양극 집전판(160)을 예로서 도시하고 있으나, 본 발명이 양극 집전판(160)에 한정되는 것은 아니며, 음극 집전판도 동일한 구조로 이루어질 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 집전편(161, 165)은 양극 무지부(112a) 위에 설치되며, 복수 개의 집전 돌기들(163, 167)이 양극 무지부(112a) 속으로 삽입 설치된다. 그리고 두 개의 집전편(161, 165)이 서로 마주하면서 집전 돌기들(163, 167)이 상호 끼워지는데, 이에 따라 집전 돌기들(163, 167)의 연장부들(163b, 167b)이 서로 겹쳐져 동일 평면에서 평행하게 배치된다.
도 3을 참조하여 전극군(110)에 집전판(160)이 설치되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
최초 하나의 집전편(161)이 양극 무지부(112a) 상에 설치되는데, 이때 집전 돌기(163)가 양극 무지부(112a) 사이를 파고든다. 집전 돌기(163)의 삽입부(163c)는 단부가 쐐기 형상으로 이루어져 양극 무지부(112a) 사이로 용이하게 파고들 수 있다.
하나의 집전편(161)이 설치되면, 이와 짝을 이루는 다른 집전편(165)이 양극 무지부(112a) 상에 설치되는데, 이때, 다른 집전편(165)의 집전 돌기들(167)은 이미 설치된 집전편(161)의 집전 돌기들(163)과 엇갈리도록 설치된다. 이때, 다른 집전편(165)의 집전 돌기들(167)이 양극 무지부(112a) 사이를 파고들면서 집전 돌기들(163, 167) 사이로 양극 무지부(112a)가 끼워져 돌출된다.
이와 같이 집전 돌기들(163, 167)이 양극 무지부(112a) 사이에 끼워지면, 집전판(160)이 양극 무지부(112a)와 얽혀져 양극 집전판(160)이 전극군(110)에 대하여 유동하는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.
양극 무지부(112a)가 집전 돌기들(163, 167) 사이에 끼워진 상태에서 집전 돌기들(163, 167)을 가로질러 용접을 실시한다. 이때, 집전판(160) 상에 용접라인(180)이 형성되는데, 용접라인(180)에서 집전판(160)와 양극 무지부(112a)는 동일한 평면 상에 위치하게 된다. 용접은 동일한 평면에서 평행하게 배열된 연장부들(163b, 167b)과 양극 무지부(112a) 사이에서 실시된다.
본 실시예와 같이 양극 무지부(112a)와 양극 집전판(160)이 동일한 평면에 위치하면, 집전판(160)의 두께를 증가시키더라도 양극 무지부(112a)와 안정적으로 용접될 수 있다. 즉, 종래에는 집전판으로 레이저를 조사하고, 집전판에서 전달된 열로 무지부를 용접하므로 집전판의 두께가 지나치게 두꺼우면 집전판에서 무지부로 열이 잘 전달되지 아니하는 문제가 있었다. 그러나 본 실시예와 같이 양극 무지부(112a)가 집전 돌기들(163, 167) 사이로 돌출되면, 양극 무지부(112a)에 직접 레이저 등으로 열을 가하여 양극 무지부(112a)를 녹일 수 있으므로 집전판(160)의 두께를 두껍게 하여도 안정적으로 용접할 수 있는 이점이 있다.
또한, 끼워진 집전 돌기들(163, 167)이 양극 무지부(112a)를 매개로 용접되어 있으므로 집전 돌기들(163, 167)과 양극 무지부(112a)가 일체로 고정되어 집전편들(161, 165)이 외부의 충격에 의하여 유동하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 일방이 타방에 단순히 끼워진 구조가 아니라 각 부재들이 실타래처럼 얽혀져 있으므로 더욱 안정적을 고정된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전편을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극군과 이에 설치된 집전판을 도시한 부분 사시도이다.
도 4는 도 3의 전극군과 이에 설치된 집전판을 도시한 정면도이다.
도 5는 도 3의 전극군과 이에 설치된 집전판을 도시한 측면도이다.

Claims (8)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군;
    상기 전극군이 내장되는 케이스;
    상기 케이스를 밀폐하며 전극 단자를 갖는 캡 조립체; 및
    상기 전극군과 상기 캡 조립체를 연결하며, 복수 개의 집전 돌기들이 단부에서 측방향으로 돌출된 집전편을 포함하는 집전판;
    을 포함하며,
    상기 집전 돌기들은 상기 집전편의 단부를 따라 이격 형성되어 상기 전극군에 삽입되고,
    상기 집전 돌기들은 이웃하는 집전편의 집전 돌기들 사이에 끼워지고, 상기 집전 돌기들 사이에는 상기 양극 또는 상기 음극에 형성된 무지부가 끼워져 상기 집전 돌기들 사이로 상기 무지부가 노출되고, 상기 집전 돌기들과 상기 무지부는 용접으로 고정된 이차 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 집전편은 판형의 평판부와 상기 평판부에서 돌출된 복수 개의 집전 돌기들을 갖는 이차 전지.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 집전 돌기는 상기 평판부에서 상기 전극군을 향하여 경사지게 돌출된 경사부와 상기 경사부에서 상기 평판부와 평행하게 돌출된 연장부, 및 상기 연장부 에서 상기 무지부를 향하여 돌출된 삽입부를 포함하는 이차 전지.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 삽입부의 단부는 쐐기 형상으로 이루어진 이차 전지.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 서로 이웃하는 집전 돌기들은 상기 연장부가 동일한 평면 상에 위치하도록 설치된 이차 전지.
  6. 삭제
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 무지부는 상기 연장부와 용접으로 고정된 이차 전지.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 집전판은 두 개의 집전편으로 이루어진 이차 전지.
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