KR100890178B1 - 금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 이차전지에 관한 것이고, 양단자 또는 음단자는 각각 상부 지지판, 상부 절연기 및 하부 절연기를 포함한다. 상부 지지판 및 상부 절연기는 긴 원형 조각으로 이루어지고, 2개 이상의 리벳이 상기 양전극탭 또는 음전극탭 상부암의 중심홀, 하부 절연판, 실링커버, 상부 절연기 및 상부 지지판을 각각 통과하여, 상기 요소들을 일체로 리벳결합시킨다. 양전극탭 또는 음전극탭의 하부암은 전지 내부바디의 양전극탭 또는 음전극탭에 대응하여 연결되고, 전지 내부바디는 평행하게 연결된 2개 이상의 감겨진 코어로 구성된다. 전지는 밀봉상태가 향상되고, 전기화학적 성능이 좋아지며, 제작과정이 단순해질 뿐만 아니라 복수의 개별 전지로 이루어진 전지다발의 안전성이 향상되는 효과 및 장점을 제공한다. 결과적으로 전지의 높이면에서 불필요한 공간이 감소되고, 부피당 발생하는 에너지가 강화된다.
리튬이온, 이차전지, 금속 케이스, 단자, 절연기, 지지판, 전극탭, 리벳

Description

금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 이차전지{High Capacity Lithium Ion Secondary Battery with Metal Casing}
본 발명은 금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 이차전지에 관한 것이고, 에너지 분야에 포함된다.
대용량 및 특별한 에너지 밀도에 있어서 장점을 갖는 리튬이온 전지는 점차 다수의 분야에서 니켈-카드뮴 전지 및 니켈 수소화 전지를 대체해왔으며, 최근 급속도로 발전하고 있다. 현재, 리튬이온 전지는 전기 자전거, 전기 모터 및 전기 자동차에 넓게 적용되고 있다. 금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 이차전지에 있어서 양단자(positive terminal) 및 음단자(negative terminal)는 모두 볼팅결합을 사용한다. 또한, 수개의 전지에 있어서, 단자들중 하나는 리벳팅에 의해 연결되고, 다른 하나는 전지 케이스로 형성된다. 그러나, 이러한 고전압 전지는 비수용성 전해질을 사용하고 보통 그룹을 이루어 사용되며, 따라서 그룹을 이루는 고전압 전지는 부주의에 의해 폭발 및 화재와 같은 안전문제를 발생시키기 쉽다. 그러한 원인들중의 하나는 양음단자가 볼팅결합을 채택하고 있다는 것이다. 전지들은 자동차 또는 이동기기에 사용되기 때문에, 전지에 사용되는 볼트들은 진동력에 의해 느슨해지기 쉽다. 결과적으로, 전지의 전해질 누출 및 회로 단락이 야기될 수 있고, 이는 사고를 유발할 수 있다. 한편, 전지의 조립은 대량생산시 복잡하고, 신뢰할 수 있는 봉합을 얻어내기가 힘들다. 그러므로, 전지는 양극 또는 음극을 금속 케이스로 형성하는 복수의 배터리 유니트로 이루어지고, 다만 사용시 회로가 단락되는 위험이 존재한다.
따라서 본 발명의 목적은 금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 2차전지를 제공하는 것이고, 이때 전극 단자들은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 리베팅에 의해 고정된다. 이에 의해 전지의 봉합 신뢰성은 증가하고, 리튬이온 이차전지의 안전성 및 전기화학 요소, 특히 충전-방전 사이의 높은 효율성을 갖는 전기화학적 작동이 개선되며, 제작과정 또한 단순화된다.
본 발명의 이러한 목적은 다음과 같은 기술 해결책에 의해 달성된다.
금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 이차전지는 케이스(3), 실링커버(1), 전지 내부바디(2), 폭발방지홀(6), 주입홀(7), 양단자(4) 및 음단자(5)를 포함하고, 양단자 및 음단자가 실링커버의 양쪽 단부에 형성되고, 폭발방지홀이 양단자 및 음단자 사이에 위치하고, 주입홀이 실링커버의 일단부 코너에 형성되고; 양단자 또는 음단자는 실링커버의 일단에 위치하는 상부 지지판(8), 상부 절연기(9), 하부 절연판(10) 및 실링커버의 단부 아래 위치하는 양전극탭(11)이나 음전극탭(14)으로 이루어지고; 상부 지지판 및 상부 절연기는 긴 원형조각으로 형성되고, 상기 상부 절연기는 긴 원형의 상부지지판을 수용하기 위한 긴 원형의 오목홈이 형성되고; 2개 이상의 홀이 상기 오목홈에 형성되며, 관(tubular) 형상의 돌기가 각각의 홀 바닥에 형성되며, 관형상의 돌기 외경은 실링커버의 중심홀에 꼭 맞게 형성되며, 관형상 돌기의 내경은 리벳기둥에 꼭 맞게 형성되고; 상기 돌기의 높이는 실링커버의 두께와 동일하고; 상기 하부 절연판은 직사각 형상의 조각으로 이루어지고; 2개 이상의 리벳(12)은 양전극탭 또는 음전극탭 상부암의 중심홀, 하부 절연판, 실링커버, 상부 절연기 및 상부 지지판을 각각 통과하여, 상기 요소들을 일체로 리벳결합시키고; 양전극탭 또는 음전극탭은 전지 내부바디 위의 양전극탭 또는 음전극탭에 상응하는 바닥에 연결되는데 특징이 있다.
상기 전지 내부바디는 평행하게 연결되는 2이상의 코어(core)로 구성되고, 각각의 코어는 양극판, 분리기 및 음극판을 감아 형성된다. 상기 리벳은 고체 리벳으로 이루어지되, 양단자 리벳의 재료는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 음단자 리벳의 재료는 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금으로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 상기 금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 2차전지는 통상 5암페어-시간(ampere-hours) 이상이고, 금속 케이스는 스테인리스강, 알루미늄 합금 또는 니켈로 코팅된 철을 늘이거나 펀칭하여 형성된다. 실링커버의 재료는 케이스와 동일하다. 상기 실링커버는 금속몰드에 의한 펀칭으로 제작된다. 실링커버 코너부에 새겨진 '+'와 "-'의 표시는 전지의 양극과 음극을 구분하기 위함이다. 주입홀은 전해질을 충진하기 위해 사용되고, 작은 스틸볼 또는 플라스틱 금속블록으로 밀봉될 수 있으며, 이때 폭발방지홀은 전지 안전수단을 구성한다. 실링커버의 일단부 코너에 위치한 주입홀은 통상 메탈호일(foil)로 용접된 납땜 또는 고강도 점착물질로 밀봉된다. 전지 내부바디는 평행하게 연결된 2이상의 코어로 구성되고, 각각의 코어는 양극판, 분리기 및 음극판을 감아 형성된다. 양전극의 재료는 리튬 산화코발트, 리튬니켈 산화물, 리튬 망간산염 또는 리튬 인산염으로 이루어지고, 음전극의 재료는 탄소물질 또는 리튬이 함유된 화합물로 이루어진다. 상부 절연기와 하부 절연판은 사출성형에 의한 고절연 중합체로 이루어지고, 상기 고절연 중합체는 통상 폴리프로필렌 또는 불소가 함유된 합성수지가 사용된다.
종래 기술과 비교할때, 본 발명에 따른 기술적 해결책은 다음과 같은 장점 및 효과를 나타낸다.
(a)전지 케이스는 양단자 및 음단자로부터 절연됨으로써, 전지의 안전성이 개선되고;
(b)전지의 밀봉 및 전기화학 성능이 향상되는 동시에 제작과정이 단순화되고;
(c)2개 이상의 리벳을 사용한 리벳팅은 전지의 내부저항을 효율적으로 감소시키고 동시에 전지의 전류출력 용량을 개선시키며, 부피당 나오는 에너지를 강화시킬뿐 아니라 높이에서 불필요한 공간을 감소시킨다.
(d)전지 내부바디는 평행하게 연결된 2이상의 감겨진 코어로 이루어지고, 또한 전지의 내부저항를 효율적으로 감소시키며, 제작이 용이하다. 따라서, 제작과정이 단순해진다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지를 나타낸 도면이고;
도 2는 전지의 양단자 및 음단자를 조립하기 전후를 나타낸 도면이다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 이차전지는 케이스(3), 실링커버(1), 전지 내부바디(2), 폭발방지홀(6), 주입홀(7), 양단자(4) 및 음단자(5)를 포함한다. 양단자 및 음단자가 실링커버의 양쪽 단부에 형성되고, 폭발방지홀이 양단자 및 음단자 사이에 위치하고, 주입홀이 실링커버의 일단부 코너에 형성된다. 양단자 또는 음단자는 실링커버의 일단에 위치하는 상부 지지판(8), 상부 절연기(9), 하부 절연판(10) 및 실링커버의 단부 아래 위치하는 양전극탭(11)이나 음전극탭(14)으로 이루어진다. 상부 지지판 및 상부 절연기는 긴 원형조각으로 형성되고, 상부 절연기는 긴 원형의 상부 지지판을 수용하기 위한 긴 원형의 오목홈이 형성된다. 2개 이상의 홀이 상기 오목홈에 형성되며, 관(tubular) 형상의 돌기가 각각의 홀 바닥에 형성되며, 관형상의 돌기 외경은 실링커버의 중심홀에 꼭 맞게 형성되며, 관형상 돌기의 내경은 리벳기둥에 꼭 맞게 형성된다. 상기 돌기의 높이는 실링커버의 두께와 동일하다. 리벳은 관형상 돌기에 의해 실링커버로부터 절연될 수 있고, 이는 전지의 안전도를 향상시킬 것이다. 상기 하부 절연판은 직사각 형상의 조각으로 이루어지고; 2개 이상의 리벳(12)은 양전극탭 또는 음 전극탭 상부암의 중심홀, 하부 절연판, 실링커버, 상부 절연기 및 상부 지지판을 각각 통과하여, 상기 요소들을 일체로 리벳결합시킨다. 양전극탭 또는 음전극탭은 전지 내부바디 위의 양전극탭 또는 음전극탭에 상응하는 바닥에 연결된다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 도면의 좌측은 조립전의 상태이고, 도면의 우측은 조립된 상태이다. 상기 리벳은 고체 리벳으로 이루어지되, 양단자 리벳의 재료는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 음단자 리벳의 재료는 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금으로 이루어진다. 전극의 연결은 양단자 및 음단자로부터 전지 케이스를 절연시킬 수 있을뿐만 아니라 전지의 높이에 따른 불필요한 공간을 감소시키며, 볼트의 느슨함때문에 전해질이 누출되고 회로가 단락되는 것을 차단하고, 동일 부피에서 나오는 에너지를 증가시킨다.
상부 절연기는 사출성형에 의해 제작된다. 2개 이상의 홀이 실링커버의 양쪽 끝에 펀칭 형성된다. 상기 홀의 직경은 상부 절연기의 관형상 돌기에 꼭 맞게 형성되고, 이 절연기는 홀에 조립되어 케이스로부터 양전극 및 음전극을 절연시킨다. 폭발방지홀은 실링커버의 중앙에 펀칭되고, 주입홀은 실링커버의 일단부 코너에 펀칭된다. 더욱이, 상부 지지판, 하부 절연기 및 양전극탭과 음전극탭의 상부암(arm)은 각각 2이상의 홀이 펀칭된다. 상기 구성요소에 형성된 홀 사이의 거리는 실링커버에 형성된 홀 사이의 거리와 동일하고, 상기 홀의 직경은 리벳기둥의 직경에 꼭 맞게 형성된다. 조립시 2이상의 리벳은 양전극탭 또는 음전극탭 상부암의 중심홀, 하부 절연판, 실링커버, 상부 절연기 및 상부 지지판을 각각 통과하여, 상기 요소들을 일체로 리벳결합시킨다. 또한, 전지 내부바디는 케이스 내부에 설치되고, 실 링커버의 양전극탭 또는 음전극탭 하부암은 저항용접 또는 초음파용접에 의해 전지 내부바디의 양전극탭 또는 음전극탭에 각각 대응 연결된다. 그 이후 실링커버 및 케이스는 레이저용접 또는 가장자리를 접는 밀봉방식으로 연결된다.
본 발명은 또한 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소화물 전지에 적용가능하고, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 케이스(3), 실링커버(1), 전지 내부바디(2), 폭발방지홀(6), 주입홀(7), 양단자(4) 및 음단자(5)를 포함하되, 상기 양단자 및 음단자는 상기 실링커버의 양쪽 단부에 형성되고, 상기 폭발방지홀이 상기 양단자 및 음단자 사이에 위치하고, 상기 주입홀이 상기 실링커버의 일단부 코너에 형성되고; 상기 양단자 또는 음단자는 상기 실링커버의 일단에 위치하는 상부 지지판(8), 상부 절연기(9), 하부 절연판(10) 및 상기 실링커버의 단부 아래 위치하는 양전극탭(11) 또는 음전극탭(14)으로 구성되고; 상기 상부 지지판 및 상부 절연기는 긴 원형조각으로 형성되고, 상기 상부 절연기는 긴 원형의 상부지지판을 수용하기 위한 긴 원형의 오목홈이 형성되고; 2개 이상의 홀이 상기 오목홈에 형성되며, 관(tubular) 형상의 돌기가 각각의 홀 바닥에 형성되며, 상기 관형상의 돌기 외경은 상기 실링커버의 중심홀에 꼭 맞게 형성되며, 관형상 돌기의 내경은 상기 리벳기둥에 꼭 맞게 형성되고; 상기 돌기의 높이는 상기 실링커버의 두께와 동일하고; 상기 하부 절연판은 직사각 형상의 조각으로 이루어지고; 2개 이상의 리벳(12)은 상기 양전극탭 또는 음전극탭 상부암의 중심홀, 하부 절연판, 실링커버, 상부 절연기 및 상부 지지판을 각각 통과하여, 상기 요소들을 일체로 리벳결합시키고; 상기 양전극탭 또는 음전극탭은 전지 내부바디 위의 양전극탭 또는 음전극탭에 상응하는 바닥에 연결되는 것을 특징으로 하는 금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 이차전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전지 내부바디는 평행하게 연결된 2이상의 코어(core)로 구성되고, 각각의 코어는 양극판, 분리기 및 음극판을 감아 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 이차전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 리벳은 고체 리벳으로 이루어지되, 양단자 리벳의 재료는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 음단자 리벳의 재료는 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 케이스를 갖는 대용량 리튬이온 이차전지.
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