KR100973739B1 - 밀폐형 전지 - Google Patents

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KR100973739B1
KR100973739B1 KR1020070050719A KR20070050719A KR100973739B1 KR 100973739 B1 KR100973739 B1 KR 100973739B1 KR 1020070050719 A KR1020070050719 A KR 1020070050719A KR 20070050719 A KR20070050719 A KR 20070050719A KR 100973739 B1 KR100973739 B1 KR 100973739B1
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aluminum
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battery
sealing
aluminum layer
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오사무 와타나베
요시키 소마토모
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히다치 막셀 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 용접불량을 저감하여 밀봉체를 전지 케이스에 확실하게 용접할 수 있게 하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 주액구멍(16)으로부터 전지 케이스(6) 내에 전해액을 주입한 후에, 주액구멍(16)을 밀봉마개(17)로 막고 밀봉마개(17)를 주액구멍(16)의 주변부에 용접함으로써 주액구멍(16)이 밀봉된다. 밀봉마개(17)는, 알루미늄층(25)과 니켈층(26)을 상하에 접합한 클래드재로 형성되어 있고, 알루미늄층(25)이, 전지 케이스(6)측에 배치되어 있음과 함께 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)가, 니켈층(26)의 둘레 가장자리보다 밀봉마개(17)의 바깥쪽으로 돌출되어 있어, 레이저로 주액구멍(16)의 주변부에 용접되어 있다.

Description

밀폐형 전지{SEALED BATTERY}
도 1은 본 발명에 관한 밀폐형 전지의 종단 정면도,
도 2는 밀폐형 전지의 분해사시도,
도 3은 밀폐형 전지에 외부 기기 등의 리드선을 접속한 상태를 나타내는 평면도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전지캔 3 : 덮개
6 : 전지 케이스 16 : 주액구멍
17 : 밀봉마개 22 : 머리부
22a : 하면 23 : 축부
25 : 알루미늄층 25a : 둘레 가장자리부
26 : 니켈층 29 : 용접부
L1 : 돌출치수
본 발명은 리튬이온 전지 등의 밀폐형 전지에 관한 것이다.
특허문헌1∼3에는 전극체나 전해액 등을 전지캔에 수용하고, 그 전지캔의 상면 개구를 덮개로 막아 전지 케이스를 형성한 밀폐형 전지가 개시되어 있다. 이 밀폐형 전지에서는 덮개에 설치한 주액구멍으로부터 전지캔 내에 전해액을 주입하고, 이어서 밀봉마개나 플레이트(plate) 등으로 이루어지는 밀봉체로 주액구멍을 막은 후, 그 밀봉체를 주액구멍의 둘레 가장자리부가 되는 덮개의 상면에 레이저 등을 사용하여 용접함으로써, 주액구멍을 밀봉체로 밀봉하고 있다.
상기 밀폐형 전지는, 휴대전화나 노트형 퍼스널 컴퓨터 등의 외부기기에 전원으로서 장착되도록 되어 있고, 상기 밀봉체가 외부기기 등과의 접속용 단자를 겸하고 있다. 즉, 외부기기 등의 리드선이 밀봉체에 용접된다. 이 외부기기 등의 리드선은 내식성 등이 뛰어난 니켈 등으로 형성되어 있는 것에 대하여, 전지캔이나 덮개는 알루미늄이나 알루미늄합금으로 형성되어 있다.
따라서 상기 밀봉체는 덮개와의 용접의 적합성에 있어서 알루미늄이나 알루미늄합금으로 형성하는 것이 바람직하나, 알루미늄이나 알루미늄합금과, 니켈과의 용접의 적합성은 좋지 않다. 즉, 밀봉체를 알루미늄이나 알루미늄합금으로 형성하면 그 밀봉체에 외부기기의 리드선을 용접하였을 때에는 비드 내에 간극(보이드) 등의 용접불량이 생겨 용접강도가 저하한다.
이 대책으로서는 특허문헌 1∼특허문헌 3에 나타내는 바와 같이 알루미늄이나 알루미늄합금으로 이루어지는 알루미늄층의 상측에, 니켈이나 니켈합금으로 이루어지는 니켈층을 접합한 클래드재로 밀봉체를 형성하게 된다. 그리고 알루미늄층측을 덮개에 용접한 다음에 니켈층의 상면에 외부 기기의 리드선을 용접한다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2002-373642호 공보(도 1 ~ 2)
[특허문헌 2]
일본국 특개2003-317703호 공보(도 1 ~ 3)
[특허문헌 3]
일본국 특개2006-12829호 공보(도 2a, 도 3)
YAG 레이저 등을 사용한 레이저 용접에서는 상기 밀봉체가 좁은 스페이스에 배치되어 있어도 용이하게 용접할 수 있기 때문에 밀봉체는 레이저로 덮개에 용접하게 된다. 그런데 특허문헌 1∼특허문헌 3에서는 밀봉체의 알루미늄층의 상면 전체를 니켈층이 덮고 있기 때문에 니켈층의 윗쪽부터 레이저가 조사되게 된다(특허문헌 1의 도 2 및 특허문헌 3의 도 3 참조).
이 경우, 상기 용접부에서는 밀봉체의 알루미늄층이 녹는 한편으로 밀봉체의 니켈층도 녹아 버린다. 이 때문에 상기한 바와 같이 비드 내에 간극 등의 용접불량이 생겨 용접 강도가 저하하는 점에 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 용접불량을 저감하여 밀봉체를 전지 케이스에 확실하게 용접할 수 있는 밀폐형 전지를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 대상으로 하는 밀폐형 전지는, 도 1에 나타내는 바와 같이 전지 케이스(6)에 설치한 주액구멍(16)으로부터 전지 케이스(6) 내에 전해액을 주입한 후에, 주액구멍(16)을 밀봉체(17)로 막아 밀봉체(17)를 주액구멍(16)의 주변부에 용접함으로써 주액구멍(16)이 밀봉되어 있다.
본 발명은 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 밀봉체(17)가 알루미늄이나 알루미늄합금으로 형성된 알루미늄층(25)과, 알루미늄과는 다른 금속 또는 그 금속합금으로 형성된 이종(異種) 금속층(26)을 상하에 접합한 클래드(clad)재로 형성하고 있고, 알루미늄층(25)이 전지 케이스(6)측에 배치되어 있음과 동시에, 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)가, 이종 금속층(26)의 둘레 가장자리보다 밀봉체(17)의 바깥쪽으로 돌출되어 있어 주액구멍(16)의 주변부에 용접되어 있는 것을 특징으로 한다. 여기서의 알루미늄과는 다른 금속으로서는 니켈, 스테인리스강(stainless steel) 및 구리 등의 금속이 해당한다. 상기 클래드재는, 알루미늄층과 이종 금속층과의 사이에 복수의 금속층을 배치하여도 좋다.
상세하게는 밀봉체(17)가, 주액구멍(16)의 주변부에 용접되는 머리부(22)와, 머리부(22)의 하면에서 하향으로 돌출하는 축부(23)를 가지고 있고, 밀봉체(17)의 축부(23)가 주액구멍(16)에 삽입되어 있고, 밀봉체(17)의 머리부(22)가 알루미늄층(25)의 상측에 이종 금속층(26)을 접합한 클래드재로 형성되어 있다.
용접부(29)가 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)에만 형성되어 이종 금속층(26)에는 미치지 않게 하는 데다가 밀봉체(17)의 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)가, 0.1 mm 이상의 돌출치수(L1)만큼 이종 금속층(26)의 둘레 가장자리보다 밀봉체(17)의 바깥쪽으로 돌출되어 있는 것이 바람직하다.
상기 돌출치수(L1)가 0.1 mm보다 작으면 용접부(29)가 이종 금속층(26)에 미 칠 염려가 있다. 상기 돌출치수(L1)가 클 수록 용접이 용이해지나, 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)가 음극단자(15)나 절연패킹(12) 등에 너무 근접할 염려가 있기 때문에, 상기 돌출치수(L1)의 상한값은 절연패킹(12) 등과의 거리 등에 의거하여 결정된다.
밀봉체(17)의 알루미늄층(25)과의 용접의 적합성에서는 케이스(6)는 적어도 외면측이 알루미늄이나 알루미늄합금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
밀봉체(17)의 축부(23)를 머리부(22)의 알루미늄층(25)과 일체로 형성되어 있는 것이, 밀봉체(17)의 제작을 용이하게 하는 데에 있어서 바람직하다.
구체적으로는 밀봉체(17)의 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)는 주액구멍(16)의 주변부에 레이저로 용접되어 있다.
본 발명에 관한 밀폐형 전지는, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 상면에 좌우 가로로 긴 개구를 가지는 바닥이 있는 각진 통형상의 전지캔(1)과, 전지캔(1) 내에 수용된 전극체(2) 및 비수전해액과, 전지캔(1)의 개구 상면을 막아 밀봉하는 좌우 가로로 긴 덮개(3)와, 덮개(3)의 안쪽에 배치되는 플라스틱제의 절연체(5)를 포함한다. 전지캔(1)의 좌우 폭치수는 34 mm, 상하 높이치수는 46 mm, 전후 두께치수는 4 mm 이다. 전지캔(1)과 덮개(3)에 의하여 전지 케이스(6)가 형성된다.
전극체(2)는 도 1에 나타내는 바와 같이 띠형상의 양극과 띠형상의 음극과의 사이에 띠형상의 세러페이터를 개재시킨 상태에서 소용돌이형상으로 권회하여 제작된다. 전극체(2)는 권회상태에서 도 2에 나타내는 편평형상으로 되어 있다. 양극은 코발트산 리튬 등의 양극 활물질을 함유하는 양극 활물질층이 띠형상의 양극 집 전체의 표리 양면에 형성되어 있고, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 양극 접전체로부터 박판형상의 양극 집전리드(10)가 도출된다.
음극은 흑연 등의 음극 활물질을 함유하는 음극 활물질층이 띠형상의 음극 집전체의 표리 양면에 형성되어 있고, 음극 집전체로부터 박판형상의 음극 집전리드(11)가 도출된다. 세퍼레이터는 폴리에틸렌수지 등의 미다공성 박막 필름 등으로 이루어진다. 비수전해액은 에틸렌카보네이트와 메틸에틸카보네이트를 혼합한 용매에 LiPF6를 용해시켜 제작하였다.
전지캔(1)은, 알루미늄 또는 알루미늄합금의 판재의 딥드로잉 성형품이다. 덮개(3)는 알루미늄 또는 알루미늄합금의 판재의 프레스 성형품이고, 전지캔(1)의 개구 둘레 가장자리에 덮개(3)의 바깥 둘레 가장자리가 YAG 레이저로 심 용접된다. 이것에 의하여 도 1에 나타내는 전지 케이스(6)가 형성된다. 덮개(3)의 중앙에는 도 1에 나타내는 바와 같이 상측의 절연 패킹(12) 및 하측의 절연판(13)을 거쳐 음극단자(15)가 관통형상으로 설치된다.
덮개(3)의 좌우방향의 우측 끝 근처에는 평면으로 보아 원형의 주액구멍(16)이 상하 관통형상으로 형성되어 있다. 주액구멍(16)으로부터 전지 케이스(6) 내에 비수전해액이 주입된다. 전해액의 주입후에 주액구멍(16)은, 밀봉마개(밀봉체)(17)로 막힌다. 음극단자(15)의 하단에는 덮개(3)의 내면에서 좌우 가로로 긴박판으로 이루어지는 리드체(19)가 접속된다. 리드체(19)는 주액구멍(16)의 반대측으로 연장되어 있고, 상기 절연판(13)으로 덮개(3)와 절연되어 있다. 이 리드 체(19)의 하면에는 음극 집전리드(11)가 용접된다.
양극 집전리드(10)는, 덮개(3)의 이면에서 절연판(13)과 주액구멍(16)과의 사이의 스페이스에 용접된다. 이것으로 양극 집전리드(10)가 덮개(3) 및 전지캔(1)에 도통하여 덮개(3) 및 전지캔(1)이 양극 전위로 대전한다. 덮개(3)의 좌우방향의 한쪽 끝 근처(도 2의 왼쪽 끝 근처)에는 개열 벤트(20)가 형성되어 있고, 개열 벤트(20)는 전지내압이 이상 상승하였을 때에 개열되어 전지 내압을 해방한다.
밀봉마개(17)는, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 덮개(3)의 상면으로서 주액구멍(16)의 주변부에 용접되는 사각판형상의 머리부(22)와, 머리부(22)의 하면(22a)의 중앙보다 약간 오른쪽 근처의 위치로부터 하향으로 돌출하는 원주형상의 축부(23)를 가지고 있다. 밀봉마개(17)의 축부(23)는 주액구멍(16)에 대하여 밀어넣음상태로 삽입되어 있다.
밀봉마개(17)의 머리부(22)는, 상기 축부(23)와 일체 형성된 알루미늄층(25)과, 알루미늄층(25)의 상측에 접합된 니켈층(이종 금속층)(26)으로 이루어지는 클래드재로 형성되어 있다. 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)는 니켈층(26)의 둘레 가장자리보다 밀봉마개(17)의 바깥쪽으로 돌출되어 있다.
즉, 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)는, 0.3∼0.4 mm 정도의 돌출치수(L1)(도 2 참조)분만큼 니켈층(26)의 둘레 가장자리보다 밀봉마개(17)의 바깥쪽으로 돌출한다. 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)의 돌출치수(L1)는, 0.1 mm 이상인 것이 바람직하다. 또한 축부(23)의 상하 두께치수는 0.6 mm 정도이다. 축부(23)는 도 1에 나타내는 바와 같이 주액구멍(16) 내에 들어가 있어도 좋으나, 전지 케이스(6)의 안쪽으로 돌출하여도 좋다.
알루미늄층(25) 및 축부(23)는, 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 형성되어 있고, 니켈층(26)은 니켈 또는 니켈합금으로 형성되어 있다. 알루미늄층(25)의 두께치수는 0.5 mm정도, 니켈층(26)의 두께치수는 0.2 mm 정도이다. 알루미늄층(25)의 비커스경도(Vickers hardness)는 24.5 Hv 정도, 니켈층(26)의 비커스경도는 191 Hv 정도이다.
그리고 주액구멍(16)의 주변부인 덮개(3)의 상면에서 밀봉마개(17)의 머리부(22)가 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)를 따라 YAG 레이저로 심 용접되어 있다. 이 용접에서는 도 1에 나타내는 바와 같이 용접부(29)가 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)에만 형성되어 니켈층(261)에는 미치지 않도록 YAG 레이저의 조사범위나 조사강도 등이 설정된다.
전지의 완성후에 있어서는, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이 밀봉마개(17)의 머리부(22)의 니켈층(26)의 상면에 보호회로나 외부 기기 등의 양극의 리드선(30)이 스폿 용접되고, 음극단자(15)의 상면에는 상기 외부 기기 등의 음극의 리드선(31)이 스폿 용접된다. 외부 기기 등의 양극의 리드선(30)은 니켈 또는 니켈합금층을 가지는 클래드재 등으로 이루어지고, 니켈면이 밀봉마개(17)의 머리부(22)에 접한 상태에서 밀봉마개(17)에 용접된다.
밀봉마개(17)는 예를 들면 다음과 같이 제작된다. 먼저 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 이루어지는 판재와, 니켈 또는 니켈합금으로 이루어지는 판재를 상하 에 맞춘 상태에서 그것들을 열간 압연이나 단접(鍛接) 등으로 서로 압착함으로써 알루미늄층(25)과 니켈층(26)을 상하에 접합한 클래드재를 제작한다.
이어서 상기 클래드재로부터 밀봉마개(17)의 머리부(22)와 대략 동일 치수의 사각형상의 판을 절단한다. 이 판에 대하여 프레스가공기로 단조를 행함으로써 상기 축부(23)를 형성함과 동시에, 머리부(22)의 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)를 니켈층(26)의 둘레 가장자리보다 바깥쪽으로 돌출시킨다. 이에 의하여 도 2에 나타내는 밀봉마개(17)가 제작된다.
전지의 조립시에는 덮개(3)에 대하여 상기한 바와 같이 음극단자(15), 절연패킹(12), 절연판(13) 및 리드체(19)를 각각 설치하여 둔다. 그리고 전극체(2)및 절연체(5)를 전지캔(1) 내에 수용한 후에, 음극 집전리드(11)를 리드체(19)에, 양극 집전리드(10)를 덮개(3)에 각각 상기한 요령으로 용접한다. 이어서 전지캔(1)의 개구둘레 가장자리에 덮개(3)를 심 용접한 후에, 전지캔(1) 내를 진공 감압하여 주액구멍(16)으로부터 비수전해액을 주입한다.
상기 전해액의 주입 완료 후에, 밀봉마개(17)의 축부(23)를 주액구멍(16)에 밀어 넣고, 이어서 밀봉마개(17)의 머리부(22)의 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)를 주액구멍(16)의 주변부에 YAG 레이저로 용접한다. 이때 알루미늄층(25)의 하면은 덮개(3)의 상면에 접하고 있다(도 1 참조). 이에 의하여 주액구멍(16)이 밀봉마개(17)로 막혀져 밀봉된다. 이후 밀봉마개(17)의 머리부(22)에 외부기기의 양극의 리드선(30)이 저항용접이나 레이저 용접 등으로 용접되고, 음극단자(15)에는 외부 기기 등의 음극의 리드선(31)이 마찬가지로 용접된다. 양극의 리드 선(30) 및 음극의 리드선(31)은 각각 평판형상이어도 좋고, L자형상이나 コ자 형상 등으로 구부린 형상이어도 좋다.
밀봉마개(17)의 축부(23)는, 합성고무(rubber) 등의 합성수지이어도 좋다. 이 경우, 축부(23)는 머리부(22)의 하면(22a)에 대하여 접착제 등으로 고정되게 된다. 밀봉마개(17)의 축부(23)는 주액구멍(16)에 대하여 여유를 가지는 상태에서 삽입되어도 좋다. 또 축부(23)를 생략하고 밀봉마개(17)를 머리부(22)만으로 형성하여도 좋다. 이 경우에도 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)는 니켈층(26)의 둘레 가장자리보다 밀봉마개(17)의 바깥쪽으로 돌출한다.
주액구멍(16) 및 밀봉마개(17)는 반드시 덮개(3)에 설치할 필요는 없고, 전지 케이스(6)의 어느 한 부분에 설치되어 있으면 좋다. 예를 들면 주액구멍(16) 및 밀봉마개(17)는 전지캔(1)의 바닥면이나 측면에 설치하여도 좋다.
밀봉마개(17)는 니켈층(26) 대신에, 예를 들면 스테인리스강이나 스테인리스합금 등으로 이루어지는 금속층을 알루미늄층(25)에 접합한 클래드재로 형성하여도 좋다. 전지캔(1)이나 덮개(3)는 적어도 외면측이 알루미늄이나 알루미늄합금층으로 형성되는 클래드재로 제작하여도 좋다.
본 발명에 의하면, 밀봉체(17)의 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)가, 이종 금속층(26)의 둘레 가장자리보다 밀봉체(17)의 바깥쪽으로 돌출되어 있기 때문에, 그 알루미늄층(25)의 둘레 가장자리부(25a)만을 전지 케이스(6)에 있어서의 주액구멍(16)의 주변부에 레이저 등으로 용이하게 용접할 수 있다.
즉, 상기 용접시에 밀봉체(17)의 이종 금속층(26)도 함께 녹아버리는 것을 방지할 수 있고, 알루미늄층(25)과 이종 금속층(26)과의 양쪽이 녹아 용접불량이 생기는 것을 방지할 수 있어, 이것에 의하여 용접강도가 저하하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
밀봉체(17)의 축부(23)가 주액구멍(16)에 삽입되면 축부(23)에 의하여 밀봉체(17)가 전지 케이스(6)에 대하여 확실하게 위치 결정된다. 따라서 밀봉체(17)로 주액구멍(16)을 확실하게 막을 수 있는 데다가 자동 용접기를 사용한 경우에도 밀봉체(17)를 주액구멍(16)의 주변부에 확실하게 용접할 수 있다. 또 축부(23)가 주액구멍(16)에 삽입되는 분만큼 주액구멍(16)을 밀봉체(17)로 더욱 확실하게 밀봉할 수 있다.

Claims (6)

  1. 전지 케이스에 설치한 주액구멍으로부터 상기 전지 케이스 내에 전해액을 주입한 후에, 상기 주액구멍을 밀봉체로 막아 상기 밀봉체를 상기 주액구멍의 주변부에 용접함으로써, 상기 주액구멍이 밀봉되어 있는 밀폐형 전지에 있어서,
    상기 전지 케이스는, 적어도 바깥면측이 알루미늄이나 알루미늄합금으로 형성되어 있고,
    상기 밀봉체는, 알루미늄이나 알루미늄합금으로 형성된 알루미늄층과, 상기 알루미늄과는 다른 금속 또는 그 금속합금으로 형성된 이종(異種) 금속층을 상하에 접합한 클래드(clad)재로 형성되어 있고,
    상기 알루미늄층이, 상기 전지 케이스측에 배치되어 있음과 함께, 상기 알루미늄층의 둘레 가장자리부가, 상기 이종 금속층의 둘레 가장자리보다 상기 밀봉체의 바깥쪽으로 돌출되어 있으며,
    상기 알루미늄층의 둘레 가장자리부가, 상기 주액구멍의 주변부에 레이저로 용접되어 있되,
    상기 알루미늄과는 다른 금속은, 적어도 니켈,스테인리스강, 구리를 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 밀폐형 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 밀봉체는, 상기 주액구멍의 주변부에 용접되는 머리부와, 상기 머리부의 하면에서 하향으로 돌출하는 축부를 가지고 있고,
    상기 밀봉체의 축부가, 상기 주액구멍에 삽입되어 있으며,
    상기 밀봉체의 머리부가, 상기 알루미늄층의 상측에 상기 이종 금속층을 접합한 상기 클래드재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 밀폐형 전지.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 알루미늄층의 둘레 가장자리부가, 0.1 mm 이상의 돌출 치수분만큼 상기 이종 금속층의 둘레 가장자리보다 상기 밀봉체의 바깥쪽으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 밀폐형 전지.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 밀봉체의 축부가, 상기 머리부의 상기 알루미늄층과 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 밀폐형 전지.
  5. 삭제
  6. 삭제
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