KR100953542B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지 안전장치에 연결되는 리이드를 직접 캔에 저항용접시킬 수 있도록 하기 위한 것으로, 정극판, 부극판 및 상기 정극판과 부극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 갖는 전극 조립체가 전해액과 함께 전도성 재료로 구비된 케이스에 수납되어, 상기 케이스가 상기 정극판 또는 부극판 중 어느 하나와 전기적으로 연결되어 있는 이차전지에 있어서, 상기 케이스는 알루미늄화 철의 금속간 화합물로 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.

Description

이차 전지{Secondary battery}

도 1 은 종래의 이차전지를 도시한 측면도.

도 2 는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도.

< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >

10: 캔 11: 개구부

12: 바닥부 20: 캡 조립체

21: 캡 플레이트 22: 단자 핀

30: 전극 조립체 31: 정극 탭

32: 부극 탭 40: 리이드

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경도 및 강도가 좋고 별도의 바닥 플레이트를 용접할 필요가 없는 케이스를 구비한 이차전지에 관한 것이다.

통상적으로 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 정극판, 부극판 및, 세퍼레이터로 이루어진 발전 요소, 즉, 전극 조립체를 금속제의 캔에 수납하고, 이 캔 내부에 전해액을 주입하여 밀봉하여 형성된다. 이렇게 캔에 밀봉된 이차전지는 통상 상부에 캔과 절연된 전극 단자를 구비하여, 이 전극 단자가 전지의 어느 한 극을 이루게 하고, 타극은 전지 캔 자체가 되도록 한다. 이 때, 통상 상기 타극은 전지의 바닥면이 되도록 한다.

이차 전지에 대한 박형 경량화의 요구에 따라 상기 전지 캔은 냉연강판과 같은 철제로부터 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용한 알루미늄제 캔으로 바뀌었다. 상기 캔을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성하는 이유는 알루미늄이 철이나 기타 전도성 금속체에 비해 무게가 가벼워 전지의 경량화에 기여할 수 있고, 고전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 전지 캔으로서의 사용특성이 우수하기 때문이다.

그런데, 이러한 알루미늄계 캔을 구비한 전지의 어느 한 전극을 캔 상부의 전극 단자로 하고, 타 전극을 전지의 바닥면으로 할 경우, 전지의 초기 충방전시에 문제가 야기된다. 즉, 외장팩에 패키징하기 이전의 전지 셀을 초기 충전할 때에 충전용 프로브(probe)가 하나는 전극 단자를, 다른 하나는 전지 캔의 외면을 지지하게 되는 데, 이 때, 전지 캔의 알루미늄 재질이 프로브의 선단에 묻어나게 되고, 이로 인하여 전지 셀의 외장 불량 뿐만 아니라 프로브가 정확한 전압 및 전류 측정을 하지 못하게 되어 과충전시키는 문제를 야기하게 된다.

한편, 상기와 같이 밀봉된 이차전지에는 PTC 소자, 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호회로모듈(PCM: Protecting Circuit Module) 등의 전지 안전장치가 연결된 체 전지 팩에 수납되는 데, 이 때, 이들 전지 안전장치들은 부극과 정극에 각각 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과충방전 등으로 전지의 전압이 급상승할 때에 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지한다.

이러한 전지 안전장치들은 리이드에 의해 전지의 정극과 부극에 연결되는 데, 이 리이드는 통상 리이드로서의 소정의 경도와 전도성을 갖도록 하기 위하여 니켈 또는 니켈 합금이나, 니켈이 도금된 스텐레스강을 사용한다.

그런데, 이렇게 니켈로 구비된 리이드는 알루미늄으로 이루어진 캔과의 용접에 다소 문제가 발생될 수 있다. 즉, 니켈과 알루미늄은 니켈의 불용성으로 인하여 초음파 용접이 곤란하고, 알루미늄의 높은 도전성으로 인하여 저항용접이 곤란하다. 따라서, 니켈로 이루어진 리이드를 알루미늄계 캔에 용접을 하기 위해서 레이저 용접이 사용되나, 이러한 레이저 용접은 레이저 빔이 보호회로에 전도되어 그 신뢰성을 저하시키는 문제를 발생시킨다.

상기와 같은 문제들을 해결하기 위하여, 미국 특허 제 5,976,729호에는 알루미늄제 캔의 바닥면에 니켈로 이루어진 바닥 플레이트(bottom plate)를 미리 레이저 용접에 의해 접합시키고, 이 바닥 플레이트에 리이드를 용접하여 보호회로 등의 안전장치를 연결하는 전지가 개시되어 있다.

이를 도 1에 도시하였다. 도 1을 참조로 하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 전지 캔(1)의 바닥면에 니켈로 이루어진 바닥 플레이트(2)가 전지의 조립 전에 미리 레이저 용접에 의해 접합되어 있는 상태에서 이 바닥 플레이트(2) 에 제 1 리이드(4)가 저항용접 또는 초음파 용접된다. 이 제 1 리이드(4)는 보호회로모듈(3)에 납땜에 의해 접합된다. 보호회로모듈(3)에는 단자(5)에 용접된 제 2 리이드(6)가 더 접합되어 전지의 이상 작동시 전류를 차단하도록 한다. 상기 제 1 리이드(4) 또는 제 2 리이드(6)에는 도 1에 도시되지는 않았지만 이상 온도에서 전류를 차단하는 PTC소자가 더 연결되어 있을 수 있다.

그런데, 이렇게 캔의 저면에 바닥 플레이트를 레이저 용접하는 것은 캔의 두께가 매우 얇기 때문에 그 용접 강도를 정확히 조절하지 않으면 레이저 용접 부위에서 전해액이 누액되는 문제가 발생되며, 용접을 위해 별도의 공정을 거쳐야 하는 공정상의 번거로움도 있다. 뿐만 아니라, 레이저 용접은 용접을 위한 설비를 증대시켜 원가 상승을 초래할 뿐 아니라, 캔의 저면에 안전변이 구비되어 있을 경우에는 레이저 용접 중에 이 안전변에 열충격을 줄 수 있어 안전성의 신뢰도를 떨어뜨리게 된다. 또한, 니켈로 이루어진 바닥 플레이트(2)를 캔의 저면에 용접한 상태에서 제 1 리이드(4)를 이 바닥 플레이트(2)에 용접하는데, 이러한 용접점들로 인하여 저항요소가 증대되어 IR 전압 감소가 발생하게 된다.

한편, 일본 공개특허공보 특개평8-329908호에도 이렇게 니켈 플레이트를 알루미늄 캔의 바닥에 압접시킨 전지가 개시되어 있다. 이 경우 니켈 플레이트를 알루미늄재 캔의 바닥부에 물리적인 힘으로 눌러 접합시키므로, 캔의 바닥부에 니켈 플레이트가 삽입된 구조가 된다. 이에 따라 캔의 바닥부의 알루미늄 부분은 매우 얇아져 취약해질 수 있으며, 전해액 누액의 염려가 있다. 또한, 이를 방지하기 위하여 캔의 바닥부를 더욱 크게 형성할 경우에는 전지의 전체 높이에도 영향을 미쳐 좋지 않다. 그리고, 이러한 니켈 플레이트의 경우에도 역시 보호회로모듈 등의 전지 안전장치와 연결하기 위하여 별도의 리이드를 용접함으로 상술한 바와 같이 저항요소를 증가시키는 결과를 낳게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전지 안전장치에 연결되는 리이드를 직접 캔에 저항용접시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전지의 초기 충방전을 위한 프로브의 선단이 오염되지 않도록 할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 소정의 강도를 지닌 전지 케이스에 수납될 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 정극판, 부극판 및 상기 정극판과 부극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 갖는 전극 조립체가 전해액과 함께 전도성 재료로 구비된 케이스에 수납되어, 상기 케이스가 상기 정극판 또는 부극판 중 어느 하나와 전기적으로 연결되어 있는 이차전지에 있어서, 상기 케이스는 알루미늄화 철의 금속간 화합물로 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

이 때, 상기 금속간 화합물은 30 내지 40 원자%의 알루미늄, 0.01 내지 0.4 원자%의 지르코늄, 0.01 내지 0.8 원자%의 보론, 0.01 내지 2 원자%의 바나듐, 0.01 내지 7원자%의 크롬 및 잔부 철로 구비된 내식성 금속간 화합물일 수 있으며, 또한, 상기 금속간 화합물은 0.1 내지 0.7 원자%의 몰리브덴을 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 각형 이차전지를 도시한 분리 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이차전지는 일면에 개구부(11)가 구비된 캔(10)과, 상기 개구부(11)를 통해 캔(10)의 내부에 수납되는 전극 조립체(30)를 포함한다.

상기 전극 조립체(30)는 도면으로 상세하게 도시되지는 않았지만, 정극판 및 부극판이 세퍼레이터를 개재하여 형성된 것으로, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 정극판 및 부극판이 세퍼레이터를 개재하여 적층된 후 권취된 젤리 롤형의 전극 조립체(30)가 사용될 수 있다.

이 때, 상기 부극판은 스트립 형상의 금속박판으로 된 부극 집전체를 구비하며, 상기 부극 집전체로는 구리 박판이 사용될 수 있다. 상기 부극 집전체의 적어도 일면에는 부극 활물질을 포함한 부극합제가 코팅된 부극 코팅부가 형성되며, 상기 부극 활물질로는 탄소재를 사용하고, 이에 바인더, 가소제, 도전재 등을 함유해 부극합제를 이룰 수 있다.

또한, 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 정극 코팅부가 형성되 는 데, 상기 정극 활물질로는 리튬계 산화물을 사용하고, 이에 바인더, 가소제, 도전재 등을 함유해 정극합제를 이룰 수 있다.

상기와 같은 전극 조립체(30)의 상부로는 도 2에서 볼 수 있듯이, 상기 정극판 및 부극판에 각각 전기적으로 연결된 정극 탭(31) 및 부극 탭(32)이 인출되어 있다. 부극 탭(32)으로는 니켈 박막이 사용될 수 있고, 정극 탭(31)는 알루미늄 박막이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 정극 탭(31) 및 부극 탭(32)의 위치는 도 2와는 반대로 구비될 수도 있음은 물론이다.

한편, 상기 캔(10)은 도 2에서 볼 수 있는 바와 같은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서 대략 직육면체의 형상을 가진 전도성 금속재로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 캔(10)은 알루미늄화 철(FeAl)의 금속간 화합물로 구비될 수 있다.

이렇게 알루미늄화 철의 금속간 화합물로 캔(10)을 형성할 경우에는 도 2에서 볼 수 있듯이, 보호회로모듈(미도시)과 같은 안전장치에 연결된 리이드(40)를 캔(10)의 바닥(12)에 레이저 용접이 아닌 저항용접으로도 부착할 수 있으며, 이 때, 별도의 바닥 플레이트 등이 필요하지 않게 된다.

뿐만 아니라, 초기 충반전 작업 시 프로브에 알루미늄이 묻어나는 문제를 해결할 수 있고, 전체적으로 캔의 강도가 높아 스웰링 현상시 캔이 부풀어 오르는 문제도 개선될 수 있다.

한편, 금속간 화합물은 통상 고온에서 견딜 수 있는 내열재료로서 사용되는 것으로, 취성(brittleness)이 강해 연성과 같은 기계 가공성이 취약한 문제가 있었다. 따라서, 본 발명에 있어서는 이러한 연성을 향상시키기 위하여, 상기 알루미늄화 철(FeAl) 금속간 화합물로서 30 내지 40 원자%의 알루미늄, 0.01 내지 0.4 원자%의 지르코늄, 0.01 내지 0.8 원자%의 보론, 0.01 내지 2 원자%의 바나듐, 0.01 내지 7원자%의 크롬 및 잔부 철로 구비된 내식성 금속간 화합물을 사용한다. 또한, 상기 금속간 화합물은 0.1 내지 0.7 원자%의 몰리브덴을 더 포함할 수 있으며, 경우에 따라서는 탄소를 미량 더 첨가할 수 있다.

이러한 금속간 화합물에 있어 연성은 공정 중 유발된 미세구조와, 상기 합금 원소들에 의해 달성될 수 있는 데, 실제 200mm 또는 그 이상의 조대립을 가지는 조직으로 주조된 금속간 화합물에 있어서 상온 인장률은 약 4 내지 5%까지 신장되었고, 30 내지 40 ㎛의 결정립을 가지고, 고온 압출된 소재는 10% 또는 그 이상의 신장률을 나타내었다.

따라서, 이렇게 연성이 증대된 금속간 화합물로 전지 캔을 형성하면 내화학성 및 내식성을 구비할 뿐 아니라, 소정의 강도도 갖춰 전지 캔으로서 우수한 특성을 나타내게 된다.

상기와 같은 캔은 물론 도2에서 도시된 바와 같은 각형 캔 뿐만 아니라, 원통형 캔에도 적용시킬 수 있으며, 기타 어떠한 형태의 전지에도 그대로 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 이차 전지에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 보호회로모듈(미도시)과 같은 안전장치에 연결된 리이드를 캔에 레이저 용접이 아닌 저항용접으로도 부착할 수 있으며, 이 때, 별도의 바닥 플레이트 등이 필요하지 않게 되어, 레이저 용접에 따른 설비 증대 문제를 해소하고, 공정 단축 효과를 얻을 수 있다.

둘째, 초기 충반전 시 프로브에 알루미늄이 묻어나는 문제를 해결할 수 있어, 프로브에 의한 전압 및 전류 측정이 보다 정확해질 수 있다.

셋째, 캔의 강도가 높아 스웰링 현상시 캔이 부풀어 오르는 문제를 개선될 수 있다.

넷째, 전지에 보호회로모듈과 같은 전지 안전장치를 연결하는 것이 더욱 손쉬워지고, 연결된 전지 안전장치의 신뢰성을 보장할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 이로부터 다양한 변형 및, 균등한 타 실시예를 용이하게 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (3)

1. 정극판, 부극판 및 상기 정극판과 부극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 갖는 전극 조립체가 전해액과 함께 전도성 재료로 구비된 케이스에 수납되어, 상기 케이스가 상기 정극판 또는 부극판 중 어느 하나와 전기적으로 연결되어 있는 이차전지에 있어서,

   상기 케이스는 알루미늄화 철의 금속간 화합물로 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 금속간 화합물은 30 내지 40 원자%의 알루미늄, 0.01 내지 0.4 원자%의 지르코늄, 0.01 내지 0.8 원자%의 보론, 0.01 내지 2 원자%의 바나듐, 0.01 내지 7원자%의 크롬 및 잔부 철로 구비된 내식성 금속간 화합물인 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 금속간 화합물은 0.1 내지 0.7 원자%의 몰리브덴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.

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