KR101064232B1 - 센터 핀을 접속단자로 사용한 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 전지케이스로서의 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 젤리-롤의 중앙 중공부에 삽입되는 센터 핀이 젤리-롤의 양극 또는 음극에 접속된 상태에서 금속 캔의 내면 하단에 접속되어 입출력 단자를 형성하고, 상기 금속 캔에 대한 센터 핀의 접속은 센터 핀을 경유한 저항 용접으로 달성되는 것으로 구성된 이차전지를 제공한다.

따라서, 별도의 전극 단자를 접속할 필요가 없으므로 부품 수가 감소되고 제조 공정이 단순화되므로 제조 비용을 절감할 수 있으며, 생산성을 향상할 수 있다. 더욱이, 상기 센터 핀과 금속 캔의 접속 부위가 견고하게 형성되므로, 과충전된 상태에서의 일정한 전압의 측정이 가능하여, 안전성을 유지할 수 있다.

Description

센터 핀을 접속단자로 사용한 이차전지 {Secondary Battery of Using Center Pin as Connection Terminal}

도 1은 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 종래기술의 원통형 전지의 수직 단면 사시도이다;

도 2는 도 1의 전지에서 직선 A-A에 따른 센터 핀의 수평 단면도이다;

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 저항 용접에 의해 센터 핀을 금속 캔의 하단에 접속하는 공정의 모식도이다;

도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 센터 핀의 수평 단면도이다;

도 5는 도 4의 센터 핀에 분리막 및 음극 시트가 개재된 상태의 사시도이다;

도 6은 도 4의 센터 핀을 이용하여 권취공정을 수행하는 경우 사용되는 권취기의 센터 핀 고정부의 부분 사시도이다;

도 7은 도 6에 따른 센터 핀 고정부가 도 4의 센터 핀에 고정된 상태의 수평 단면도이다.

본 발명은 센터 핀을 접속단자로 사용한 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 전지케이스로서의 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 젤리-롤의 중앙 중공부에 삽입되는 센터 핀이 젤리-롤의 양극 또는 음극에 접속된 상태에서 금속 캔의 내면 하단에 접속되어 입출력 단자를 형성하는 것을 특징으로 하는 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 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

젤리-롤형 전극조립체는 주로 원통형 전지와 각형 전지에 사용되는 바, 도 1 에는 젤리-롤형 전극조립체를 포함하고 있는 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 종래기술에 따른 센터 핀의 수평 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 원통형 이차전지(10)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(20)를 원통형 케이스(30)에 수납하고, 원통형 케이스(30) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(30)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(40)을 결합하여 제작한다.

전극조립체(20)는 양극(21)과 음극(22), 및 분리막(23)을 차례로 적층하여 젤리-롤의 형태로 감은 구조로서, 그것의 권취 중심(젤리-롤의 중심부)에는 일반적으로 원통형의 센터 핀(50)이 삽입되어 있다.

센터 핀(50)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 구조를 가지는 바, 하나의 대표적인 예로서, 도 2에서와 같이, 수평 단면상 단부(51)가 접하지 않은 중공형의 원통형 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 센터 핀(50)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 역할과, 충방전 또는 작동시 발생되는 가스를 밀집시켜 방출하기 위한 통로 역할을 한다. 그러나, 이러한 구조의 센터 핀(50)은 전지의 낙하 및 압착 등 외부충격이 인가되었을 때, 중공형의 내부구조에 변형이 일어나기 쉽고, 그러한 변형에 의해 센터 핀의 접하지 않은 단부(51)가 분리막을 뚫고 전극에 접촉됨으로써 내부단락을 유발할 수 있다.

한편, 이러한 원통형 전지의 제조 과정은 전극 탭과 전극 시트를 용접하는 공정, 양극/분리막/음극의 적층체의 단부에 권심(mandrel)을 끼워 원통형으로 권취한 후 권심을 제거하는 공정, 전극 단자를 원통형 케이스의 하단 내면에 용접하는 공정, 및 젤리-롤형 전극조립체의 중심부에 센터 핀을 삽입하는 공정 등을 포함한다.

그러나, 젤리-롤형 전극조립체에 대해 권심을 제거하는 공정 및/또는 센터 핀을 삽입하는 공정시 최내층에 위치하는 분리막이 밀리거나 손상되어 전극의 단선 및 내부 단락(short) 등 전지의 안전성을 저하시키는 문제가 발생하고, 상기와 같은 추가적인 공정을 거침으로써 길어진 제조 공정에 의해 생산 효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 이차전지의 제조시 분리막의 손상 및 생산효율의 저하를 방지할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2002-237326호는 도전성 축심을 전극 단자로 이용하는 기술을 개시하는 바, 제 1 전극 시트 중 활물질 미담지 부분(무지부)에서 권회를 개시하고, 권회가 완료되면 제 2 전극 시트 중 활물질 미담지 부분으로 권회체의 표면을 덮은 다음, 권회체를 도전성 부분을 갖는 용기에 삽입하여, 상기 도전성 부분과 제 2 활물질 미담지 부분을 접촉시켜 도전성 축심을 제 1 전극단자로 하고, 상기 용기의 도전성 부분을 제 2 전극 단자로 하는 권회형 전지의 제조 방법을 개시하고 있다.

그러나, 상기 제 2 전극 시트와 용기의 도전성 부분은 단순한 물리적 접촉에 의해 통전 경로를 형성하고 있으므로, 전류의 흐름이 일정치 못하여 전압의 변화가 가변적이다. 따라서, 측정된 전압을 바탕으로 과전류 등을 차단하는 안전소자나 충전 정도를 제어하는 외부 충전기에서, 상기와 같은 가변적인 저항으로 인해 전압의 센싱(Sensing)이 잘 이루어지지 않음으로써, 과전류, 과충전 등이 제어되지 못하여 이차전지의 안전성에 심각한 문제가 발생하게 된다. 또한, 상기 기술은 제 2 활물질 미담지 부분과 제 2 전극단자인 용기와의 접촉성을 개선하기 위해 도전성 권회 부재를 장착하는 내용을 개시하고 있는 바, 이러한 권회 부재의 존재로 인해 젤리-롤의 삽입 시 파손이 발생할 가능성이 매우 높아지므로 전지의 안전성에 심각한 문제가 발생할 수 있다.

또한, 일본 특허출원공개 제2000-003701호는 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 권회형 전극조립체에서, 양극과 음극의 단자가 중심에 형성된 축심의 상하부에 각각 전기적으로 접속되어 있으며, 상기 축심은 중심에 절연부를 포함하며, 상부와 하부에 폐색 부재가 접합되어 있어서, 전지의 구성 및 젤리-롤형 전극조립체의 상부 폐색을 단순화한 젤리-롤형 이차전지를 개시하고 있다. 그러나, 이러한 폐색 부재와 절연부를 포함하는 축심은 전극 단자와의 전기적 접속을 위한 별도의 공정을 필요로 하며, 상부 단자부의 존재로 인해 원통형 전지 등에서 안전벤트나 PTC 소자(positive temperature coefficient element) 등의 안전부재를 탑재하기 어려운 단점을 가지고 있다.

또한, 일본 특허출원공개 제1999-339756호는 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 권회형 전극조립체에서, 전지의 에너지 밀도의 향상을 위하여 중심에 절연부를 포함하며 상하부는 각각 도전성을 갖는 권심에 권회되어 있는 전극조립체의 상부나 하부 한쪽 끝부분으로부터, 권심의 길이방향으로 다수 개가 길게 돌출된 전극단자를 도전성 권심에 접합하여 제조한 전극 권회형 전지를 개시하고 있다. 그러나, 이러한 전극 권회형 전지는 전극조립체의 끝부분에 돌출된 다수 개의 전극단자를 도전성 권심에 접합하기 위해서 전지 내부에 별도의 공간을 필요로 하므로, 동일한 규격 대비 전지 용량이 상대적으로 감소되는 문제가 있다.

한편, 일본 특허출원공개 제1998-064588호는 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 권회형 전극조립체에서, 센터 핀의 양 단부는 알루미늄과 구리로 이루어져 있으며, 그 중심은 절연부재에 의해 절연되어 있어서, 센터 핀의 양 단부에 각각의 전극 단자가 접속되는 것으로 구성된 원통형 이차전지를 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 센터 핀의 제조 공정이 매우 복잡하고 번거로워지고, 전극단자를 상기 권심에 접합하기 위하여 전지 내부에 별도의 공간을 필요로 하므로, 동일한 용량의 전지에서 전지의 부피가 상대적으로 커질 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 센터 핀이 입출력 단자를 형성하도록 구성하고, 저항 용접에 의해 금속 캔과 센터 핀을 접속시키는 경우, 전극 탭과 같은 별도의 부재를 접합시킬 필요가 없으므로 부품 수를 감소시킬 수 있고, 부품 수의 감소에 의해 제조 공정이 단축되므로 제조 비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 전지케이스로서의 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 젤리-롤의 중앙 중공부에 삽입되는 센터 핀이 젤리-롤의 양극 또는 음극에 접속된 상태에서 금속 캔의 내면 하단에 접속되어 입출력 단자를 형성하고, 상기 금속 캔에 대한 센터 핀의 접속은 센터 핀을 경유한 저항 용접에 의해 달성되는 것으로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 센터 핀 자체가 입출력 단자를 형성함으로써, 전극 탭 등의 부재를 생략할 수 있고, 권심으로서의 역할을 수행할 수 있으므로 부품 수를 감소시켜, 전지의 제조 비용 및 불량률을 절감할 수 있다. 더욱이, 전극 시트와 센터 핀의 접속이 필요한 경우, 한 번의 저항용접으로 전극 시트와 센터 핀의 접속 및 센터 핀과 금속 캔의 접속을 수행할 수 있으므로, 제조 공정을 단순화함으로써 생산효율을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 금속 캔은 내부에 젤리-롤 형태의 전극조립체를 내장할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 이러한 금속 캔과 양극 또는 음극 단자가 접속하는 경우 금속 캔 자체가 양극 또는 음극을 띄게 된다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 금속 캔은 원통형 캔이고, 젤리-롤의 음극이 센터 핀에 접속되는 구조일 수 있다. 따라서, 상기 센터 핀이 음극 단자의 역할을 수행하게 되고, 이러한 센터 핀이 전극 탭 등을 경유하지 않고 직접 원통형 캔과 접속되어 있으므로 원통형 캔 자체가 음극을 띄게 된다.

본 발명에서, 상기 금속 캔에 대한 센터 핀의 접속은, 상기에 정의된 바와 같이, 센터 핀을 경유한 저항 용접으로 달성된다. 상기 저항 용접은 압력을 가한 상태에서 용접 모재의 역할을 하는 센터 핀에 대전류를 흘려 보내어 센터 핀과 금속 캔의 내면 하단의 접촉 부위에서 생기는 접촉 저항과 금속의 고유저항에 의한 발열로 금속이 가열 또는 용융되어 접합이 이루어지도록 하는 방법이다. 즉, 상기 저항 용접을 수행하기 위해서는, 상기 센터 핀에 가해진 대전류가 금속 캔의 하단의 접촉 부위로 직접 흐를 수 있어야 한다.

이러한 저항 용접이 가능할 수 있도록, 하나의 바람직한 예에서, 상기 센터 핀은 상호 분리된 2 단위의 부재들로 이루어져 있고, 상기 부재들 사이에 분리막과 음극 시트의 무지부가 위치하는 것으로 구성될 수 있다.

본 명세서에서는 경우에 따라, 상기 센터 핀에서 상호 분리된 2 단위의 부재들을 각각 제 1 부재와 제 2 부재로 칭하기도 한다. 이 때, 상기 2 단위의 부재들 중 음극 시트의 무지부와 접하는 부재는 음극 단자가 된다.

센터 핀을 구성하는 두 부재들은 전기적으로 상호 절연 상태로 존재하여야 하고 그것의 하단부만이 금속 캔의 내면 하단에 접촉되어 있어야만 저항 용접이 가능하다. 이러한 전기적 절연 관계를 이루는 하나의 예로는 두 부재들 사이에 분리 막을 개재하는 것이다.

구체적인 예에서, 상기 제 1 부재에 저항 용접기의 양극을 연결하고, 상기 제 2 부재에 저항 용접기의 음극을 연결하는 경우, 이들 사이에 삽입된 분리막에 의해 제 1 부재와 제 2 부재 사이의 직접적인 통전이 방지되므로(즉, 상호 전기적 절연 상태에 존재하므로), 상기 부재들의 길이 방향으로 전류가 흐르게 되어 제 1 부재로부터 제 2 부재로 통전되는 바, 상기 부재들의 하단부와 금속 캔의 내면 하단의 접촉 부위에서 접촉 저항이 발생하고, 저항 용접이 용이하게 달성될 수 있다. 한편, 상기 저항 용접시 별도의 가압장치에 의해 소정의 압력을 가할 수도 있고, 또는 이러한 외력의 인가 없이 센터 핀 자체의 무게 및 젤리-롤의 무게에 의해 소정의 압력이 가해질 수도 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 센터 핀은 수평 단면상으로 2 개의 반원형 부재들이 전체적으로 원형의 형태를 이루도록 대면하고 있는 구조일 수 있다.

상기 센터 핀은 전체적으로 원형의 형태를 가지므로, 상기 부재들 사이에 양극 또는 음극과 분리막을 삽입하고 양극과 음극에 분리막을 개재한 상태로 권취하여 젤리-롤을 제조할 수 있는 바, 입출력 단자로서의 역할을 하는 동시에 권심의 역할을 수행할 수 있다.

따라서, 별도의 권심을 사용하지 않고 센터 핀을 이용하여 권취가 가능하므로, 권심을 제거하는 과정과 센터 핀을 삽입하는 과정에서 발생할 수 있는 분리막의 손상과 전극의 단선을 방지하고, 센터 핀을 삽입하는 공정을 생략할 수 있어서 제조 시간 및 불량률이 감소되므로, 제조 비용을 절감하고 생산 효율을 크게 향상 시킬 수 있다. 또한, 젤리-롤의 중심부의 내면과 센터 핀 사이에 공극이 거의 존재하지 않기 때문에, 젤리-롤의 초기 외경이 상대적으로 감소되어 동일 규격 대비 전지 용량이 증가되고 사이클의 열화가 억제되므로 수명 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 부재들 각각에는 수직 관통로가 형성되어 있는 것이 바람직한 바, 이러한 수직 관통로는 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다. 또한, 상기 수직 관통로에 권취기를 삽입한 후 회전시킴으로써, 권취를 용이하게 수행할 수 있다.

한편, 본 발명에서 상기 센터 핀이 양극 또는 음극 중 어느 하나와 결합하여 입출력 단자를 형성하는 경우, 상기 센터 핀과 접속하는 전극에 대해 반대 극성을 갖는 전극 시트의 무지부에는 전극 탭이 접합되어 있어서 전극 단자로서 작용을 하게 된다.

상기 전극 탭은 젤리-롤의 상단으로 돌출되어 있어서, 이와 반대 극성을 갖는 센터 핀과 접촉할 수 있고, 이 경우 내부 단락이 발생하므로 전지의 안전성을 해할 염려가 있다.

따라서, 이러한 전극 탭과 센터 핀과의 접촉을 방지하기 위한 방안으로서, 바람직하게는, 상기 센터 핀의 상단부에 절연 처리를 행할 수도 있다. 여기서, 상기 센터 핀의 상단부는 금속 캔의 개방 상단으로 노출되는 부분으로서, 저항용접에 의해 금속 캔의 하단 내면과 접속하는 센터 핀의 하단부의 반대쪽 부위이다. 이러한 센터 핀의 상단부에, 예를 들어, 절연 필름을 씌우거나, 절연 물질을 도포하는 등의 방법으로 절연처리를 행함으로써, 전극 탭과 접촉하는 경우에도 상기 절연물질에 의해 내부 단락이 방지될 수 있다.

한편, 저항 용접은 용접 장치가 센터 핀의 상단부에 연결되어 전기를 통전시킴으로써 수행되는 바, 상기 절연처리를 행한 센터 핀 상단부의 하부에 용접 장치를 연결하여 저항 용접을 수행할 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 센터 핀의 높이를 젤리-롤의 높이보다 낮게 구성할 수도 있다. 이 경우, 상기 센터 핀의 단부가 젤리-롤의 상단에 노출되지 않으므로, 전극 탭의 변형이 발생하는 경우에도 센터 핀과 직접 접촉할 가능성이 거의 없게 된다.

본 발명은 또한, 상기 이차전지를 제조하는 방법을 제공한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은,

(a) 상호 분리된 2 단위의 부재들로 이루어진 센터 핀에 분리막을 개재시킨 상태에서 권취하여 젤리-롤을 만드는 과정;

(b) 상기 젤리-롤을 금속 캔에 장착하여, 센터 핀의 2 단위의 부재들의 하단이 각각 금속 캔의 내면 하단에 접촉되도록 하는 과정; 및

(c) 상기 센터 핀의 2 단위의 부재들에 전류를 인가하여 저항 용접에 의해 금속 캔의 하단에 결합시키는 과정;

을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 상기 센터 핀은 권심의 역할도 수행할 수 있으므로, 권심을 삽입한 후 제거하는 과정에서 발생할 수 있는 분리막의 손상 등을 방지할 수 있다. 이와 동시에 전극 단자의 기능을 수행하는 바, 이차전지의 구조를 단순화시키고 전극단자 등의 부품 수를 감소시켜 제조 비용을 절감할 수 있으므로, 궁극적으로 생산 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 센터 핀이 입출력 단자로서 사용되기 위해서는 양극 또는 음극 시트는 상기 부재들 중 어느 하나와 적어도 일부에서 접속되어야 한다. 예를 들어, 상기 분리막을 2 단위의 부재들로 이루어진 센터 핀에 개재한 상태에서 제 1 부재만을 감싸도록 1 회 권취한 다음, 분리막에 양극 및 음극 시트를 각각 개재하여 양극/분리막/음극의 순서가 되도록 하고 권취 공정을 수행할 수 있다. 이 때, 센터 핀과 직접 접속되는 시트가 양극인 경우, 제 2 부재는 양극 접속 단자가 되고, 음극인 경우 제 2 부재는 음극 접속 단자가 된다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 과정(a)에서 양극 또는 음극 시트의 단부를 분리막과 함께 상기 부재들 사이에 개재시킬 수 있다. 이 경우, 상기 분리막에 의해 제 1 부재와 제 2 부재 사이의 절연성을 유지하면서도, 양극 또는 음극 시트와 접하는 부재는 양극 또는 음극 접속 단자로서 역할을 수행할 수 있게 된다.

또한, 권취 공정이 보다 연속적이고 안정적으로 수행될 수 있으므로, 공정의 효율성이 높아질 수 있다.

한편, 상기 양극 또는 음극 시트는 상기 부재들 중 어느 하나와 적어도 일부에서 접속해야 하고, 균일한 통전이 이루어지기 위해서는 상기 접속이 안정적으로 이루어져야 한다. 따라서, 이를 위해 상기 부재들과 전극 시트를 용접 등의 방법으로 접속시킬 필요가 있다.

이를 위해, 하나의 바람직한 예에서, 상기 과정(a) 중 권취 이전에, 양극 또는 음극 시트의 단부를 센터 핀의 두 부재들 중의 어느 하나에 미리 결합시킬 수 있고, 이 경우, 센터 핀에 대한 전극 시트의 상기 결합은 바람직하게는 초음파 용접에 의해 달성될 수 있다.

이러한 방법을 사용하는 경우, 양극 또는 음극 시트가 안정적으로 센터 핀에 고정되게 되므로 권취 공정시 시트가 누락되는 등의 불량이 발생할 염려가 없고, 소정의 응력을 가하면서 권취 공정을 수행할 수 있어서, 양극 또는 음극 시트를 단순히 개재한 상태에서 권취 공정을 수행하는 경우에 비해 상대적으로 긴 길이의 시트를 권취할 수 있으므로, 동일 규격 대비 전지 용량이 증가될 수 있다.

또 다른 바람직한 예에서, 상기 과정(c)에서 상기 센터 핀에 전류를 인가할 때, 센터 핀의 두 부재들 중 하나의 부재에 양극 또는 음극 시트가 저항 용접에 의해 센터 핀에 결합될 수도 있다.

이 경우, 상기 저항 용접을 통해 센터 핀과 양극 또는 음극 시트와의 접속 공정 및 센터 핀과 금속 캔의 접속 공정을 하나의 공정으로 수행할 수 있으므로, 공정을 단순화함으로써 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

다만, 이 경우 양극 또는 음극 시트와 센터 핀의 결합이 권취 공정 이후에 행해지므로, 권취 공정시 전극 시트가 누락되어 불량이 발생하거나 조밀한 구조로의 권취가 어려울 수 있다. 따라서, 권취 공정을 용이하게 하고 불량을 방지하기 위해, 바람직하게는 상기 양극 또는 음극 시트의 단부가 분리막과 함께 센터 핀의 두 부재들 사이에 개재된 상태에서 권취가 행해지고, 저항 용접에 의해 센터 핀에 결합될 수 있다.

또한, 상기 센터 핀과 전극 시트와의 넓은 접촉면을 고려할 때 저항 용접이 용이하지 않을 수 있다. 이를 보완하기 위한 하나의 바람직한 예에서, 상기 양극 또는 음극 시트와 센터 핀의 부재가 접하는 부위에서 저항 용접이 용이하게 일어날 수 있도록, 상기 센터 핀의 외면에 요철을 형성할 수 있다. 즉, 저항은 접촉면의 넓이에 반비례하므로 상기 요철에 의해 센터 핀의 외면과 양극 또는 음극 시트와의 점접촉이 형성되고, 전류가 흐르는 단면적이 작아짐으로써 저항이 커지게 된다. 따라서, 용접을 위한 전류의 인가시, 발열량이 증가하게 되므로, 센터 핀과 양극 또는 음극 시트들의 접촉면이 쉽게 용융되어 저항 용접에 의한 결합이 더욱 용이하게 수행될 수 있다.

본 발명은 또한, 수평 단면상으로 반원형 구조로서 상호 분리되는 2 단위의 부재들로 이루어져 있고, 전체적으로 원형의 형태를 이루도록 상기 부재들이 대면하고 있으며, 각각의 부재에는 수직 관통로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 센터 핀을 제공한다.

본 발명에 따른 상기 센터 핀은 전지의 낙하 및 압착 등 외부충격이 인가되는 경우에도 단부가 노출되지 않으므로, 이에 의해 유발될 수 있는 내부단락을 근본적으로 차단할 수 있고, 2 단위의 부재로 구성되어 있어서, 반복되는 충방전에 의한 센터 핀의 변형을 억제할 수 있으므로 이를 포함하는 이차전지의 안전성 및 수명을 향상시킬 수 있다.

더욱이, 상기 센터 핀은 상호 분리되는 2 단위의 부재들로 이루어져 있어서, 저항 용접을 통해 센터 핀을 금속 캔의 하단과 접속시킬 수 있으므로, 앞서 설명한 바와 같은 입출력 단자의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 부재들이 대면하는 부위에서 전극 시트를 삽입하여 권취를 행할 수 있으므로 권심의 역할을 수행할 수도 있다. 결과적으로, 상기 센터 핀을 사용하여 전지를 제조하는 경우, 이에 필요한 부품의 수가 감소되고, 제조 공정을 단순화할 수 있으므로 제조 비용을 절감할 수 있고, 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 수직 관통로는 전지 내부에서 발생한 가스 등의 배출 통로의 역할을 수행하는 바, 가스 배출이 효과적으로 이루어질 수 있도록 소정의 기계적 강도를 유지할 수 있는 범위 내에서 최대한 크게 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 수직 관통로가 최대화되는 경우 상기 두 부재들과 금속 캔의 하단 내면과의 접촉 면적이 최소화될 수 있으므로, 접촉 부위의 저항을 최대화함으로써 저항 용접을 용이하게 수행할 수 있다.

따라서, 상기 수직 관통로의 부피를 최대화 하기 위한 하나의 바람직한 예에서, 상기 수직 관통로는 수평 단면상으로 반원형 구조로 이루어지도록 구성할 수 있다. 이러한 수직 관통로는, 예를 들어, 소정의 두께를 갖는 금속 판재를 반원형으로 절곡하고 단부를 결합시키거나, 또는 금속 소재를 압출방식으로 가공함으로써 형성될 수 있다.

한편, 상기 센터 핀은 입출력 단자의 역할을 수행하는 바, 소정의 기계적 강성을 가지면서도 전도성을 갖는 소재로 제조되는 것이 바람직하므로, 예를 들어, 금속 소재로 이루어질 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 저항 용접에 의해 센터 핀을 금속 캔의 하단에 접속하는 공정이 모식적으로 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 센터 핀(110, 120)에 전극 시트 및 분리막을 권취하여 젤리-롤(도시하지 않음)을 제조한 후, 금속 캔(150)에 장착하고, 저항 용접기에 연결된 양극 지그(500)와 음극 지그(510)를 각각 제 1 부재(110)와 제 2 부재(120)에 연결한 상태에서 전류를 인가한다. 이 때, 제 1 부재(110)와 제 2 부재(120) 사이는 전류가 통전되는 것을 방지하기 위해, 분리막(도시하지 않음)가 위치하도록 구성할 수 있다.

따라서, 전류가 1 부재(110), 금속 캔(150)의 하단 및 제 2 부재(120)를 통해 흐르게 되고, 전류가 흐르는 단면적이 최소화되는 부분인 센터 핀(110, 120)의 하단부와 금속 캔(150)의 내면 하단의 접촉 부위에서 접촉 저항이 최대가 되는 바, 이 때 발생하는 저항열과 금속의 고유저항에 의한 발열로 금속이 가열 또는 용융되어 접합이 이루어지게 된다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 센터 핀의 수평 단면도가 가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 센터 핀에 분리막 및 음극 시트가 개재된 상태의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 센터 핀(100)은 전도성 소재로 이루어져 있고, 상호 분리된 2 단위의 부재들, 즉, 제 1 부재(110)와 제 2 부재(120)로 이루어져 있다. 부재들(110, 120)은 수평 단면상으로 반원형의 대칭 형상을 가지고 있고, 서로 대면함으로써 센터 핀(100)은 전체적으로 원형의 형태를 이루고 있다. 이러한 부재들(110, 120) 각각에는 수직 관통로(130)가 형성되어 있어서, 이를 통해 전지 내부 단락에 의해 발생한 가스 등이 배출되어, 전지가 발화되는 것을 방지할 수 있고, 고온 내지 고압 등의 가혹한 환경에서 젤리-롤 전체가 분출하는 현상을 막을 수 있다.

센터 핀(100)의 상호 분리된 2 단위의 부재들(120, 121)의 사이(B)는 소정의 크기로 이격되어 있어서, 분리막(200) 또는 분리막(200)과 음극 시트(210)의 무지부가 삽입될 수 있다. 이 때, 2 단위의 부재들(120, 121)은 분리막(200)에 의해 상호 절연되고, 음극 시트(210)의 무지부는 제 1 부재(110)와 접속하고 있다. 이 경우, 음극 시트(210)의 무지부는 2 단위의 부재들(120, 121) 중 어느 하나와 일부에만 접촉하고 있을 수도 있음은 물론이다.

따라서, 권취기(도 6 참조)를 센터 핀의 수직 관통로(130)에 삽입하여 고정시키고, 2 단위의 부재들(120, 121)의 사이(B)를 통해 분리막(200)과 음극 시트(210)를 삽입하여 권취 공정을 수행할 수 있다. 이 때, 초음파 용접 등의 방법으로 음극 시트(210)와 제 1 부재(110)를 결합한 후, 권취 공정을 수행할 수도 있다. 따라서, 센터 핀 자체가 권심으로서의 역할을 수행할 수 있으므로 제조 시간 및 불량률이 감소되므로, 제조 비용을 절감하고 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있 다. 또한, 동일 규격 대비 전지 용량이 증가되고 사이클의 열화가 억제되므로 수명 특성을 향상시킬 수 있다.

권취 공정에 의해 제조된 젤리-롤(도시하지 않음)을 금속 캔(도시하지 않음)에 장착하고, 센터 핀의 제 1 부재(110)와 제 2 부재(120)에 각각 용접 팁들(500, 510)을 접속시켜 전류를 인가하는 경우, 센터 핀(100)의 하단과 금속 캔을 저항 용접에 의해 접속시킬 수 있다. 따라서, 센터 핀(100)이 저항 용접에 의해 금속 캔의 하단에 견고하게 접속되므로, 전류의 흐름이 일정하고 내부 저항의 변화가 거의 없어 안정적이다. 또한, 하나의 공정으로 음극 시트(210)와 센터 핀(100)의 접속 및 센터 핀(100)과 금속 캔의 접속을 수행될 수 있으므로, 제조 공정을 크게 단순화시킬 수 있으므로 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 이 때, 음극 시트(210)와 제 1 부재(110)가 접하는 부위에서 저항 용접이 용이하게 일어날 수 있도록, 센터 핀(100)의 외면에 요철을 형성할 수도 있다.

결과적으로, 저항 용접에 의해 음극, 센터 핀 및 금속 캔이 서로 전기적으로 연결되므로, 센터 핀(100) 자체가 입출력 단자를 형성하게 된다.

경우에 따라서는, 센터 핀(100)과 양극 탭(도시하지 않음)과의 접촉을 방지하기 위해, 센터 핀(100)의 상단부를 절연처리 하거나, 센터 핀(100)의 높이를 젤리-롤의 높이보다 낮게 구성할 수도 있다.

도 6에는 도 4의 센터 핀을 이용하여 권취공정을 수행할 때 사용될 수 있는 하나의 예시적인 권취기의 센터 핀 고정부의 부분 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 도 6에 따른 센터 핀 고정부가 도 3의 센터 핀에 고정된 상태의 수 평 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 권취기(400)의 양 단부에 권취기 센터 핀 고정부(300)가 돌출되어 있고, 권취기 센터 핀 고정부(300)는 전체적으로 봉형의 부재이다. 센터 핀 고정부(300)의 단부(310)는, 적층 시트(200)의 단부가 삽입되는 판재 양 단부(110, 111)가 삽입될 수 있도록, 대략 판재 양 단부(110, 111) 사이의 폭에 대응하는 길이만큼 분리되어 있다. 그와 같이 분리된 단부(310)는 단면상으로 두 개의 반원 형상물들(310a, 310b)이 대면하고 있는 구조로 되어 있다.

종래에는 센터 핀의 외경보다 큰 크기를 가지고, 평면 형태의 절취면이 형성되어 있는 권심을 사용하였으나, 본 발명에 사용되는 권취기(400)의 센터 핀 고정부(300)는 두 개의 반원 형상물들(310a, 310b)이 센터 핀 부재들의 수직 관통로(130)에 삽입된 상태로 회전함으로써 권취 공정이 수행되는 바, 센터 핀 내부의 수직 관통로(130)의 외경보다 작은 외경을 가진다. 또한, 별도로 절취면을 형성할 필요가 없으므로, 제조가 용이해지므로 제조 비용 및 노력을 절감할 수 있다. 한편, 상기 두 개의 반원 형상물들(310a, 310b) 사이의 대면하는 면(320)에는 권취기(400)가 회전하는 동안 마찰력 및 마모가 발생하는 것을 방지하기 위해 부분적으로 스폰지 등의 소재를 부가할 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 센터 핀이 젤리-롤의 양극 또는 음극에 접속된 상태에서 금속 캔의 내면 하단에 접속되어 입출력 단자를 형성하고, 상기 금속 캔에 대한 센터 핀의 접속은 센터 핀을 경유한 저항 용접으로 달성되므로, 별도의 전극 단자를 접속할 필요가 없으므로 부품 수를 감소할 수 있고 제조 공정이 단순화되므로 제조 비용을 절감할 수 있으며, 생산성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 상기 센터 핀과 금속 캔의 접속 부위가 견고하게 형성되므로 과충전된 상태에서의 일정한 전압의 측정이 가능하여, 안전성을 유지할 수 있다.

Claims (16)

1. 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 전지케이스로서의 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 젤리-롤의 중앙 중공부에 삽입되는 센터 핀이 젤리-롤의 양극 또는 음극에 접속된 상태에서 금속 캔의 내면 하단에 접속되어 입출력 단자를 형성하고, 상기 금속 캔에 대한 센터 핀의 접속은 센터 핀을 경유한 저항 용접으로 달성되며, 상기 센터 핀은 상호 분리된 2 단위의 부재들로 이루어져 있고, 상기 부재들 사이에 분리막, 또는 분리막과 음극 시트의 무지부가 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 캔은 원통형 캔이고, 젤리-롤의 음극이 센터 핀에 접속되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 센터 핀은 수평 단면상으로 2 개의 반원형 부재들이 전체적으로 원형의 형태를 이루도록 대면하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 부재들은 수직 관통로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 센터 핀과 접속하는 전극에 대해 반대 극성을 갖는 전극 시트의 무지부에는 전극 탭이 접속되어 있고, 상기 전극 탭은 젤리-롤의 상단부로 돌출되어 있으며 상기 전극 탭과 반대 극성을 갖는 센터 핀과의 접촉을 방지하기 위해, 상기 센터 핀의 상단부가 절연처리되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 센터 핀의 높이는 젤리-롤의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항 내지 제 2 항 및 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 제조하는 방법으로서,

   (a) 상호 분리된 2 단위의 부재들로 이루어진 센터 핀에 분리막을 개재시킨 상태에서 권취하여 젤리-롤을 만드는 과정;

   (b) 상기 젤리-롤을 금속 캔에 장착하여, 센터 핀의 두 부재들의 하단이 각각 금속 캔의 내면 하단에 접촉되도록 하는 과정;

   (c) 상기 센터 핀의 부재들에 전류를 인가하여 저항 용접에 의해 금속 캔의 하단에 결합시키는 과정;

   을 포함하는 것으로 구성된 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 과정(a)에서 양극 또는 음극 시트의 단부를 분리막과 함께 센터 핀의 두 부재들 사이에 개재시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 과정(a) 중 권취 이전에, 양극 또는 음극 시트의 단부를 센터 핀의 두 부재들 중의 하나에 미리 결합시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 센터 핀에 대한 전극 시트의 결합은 초음파 용접에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 과정(c)에서 상기 센터 핀에 전류를 인가할 때, 센터 핀의 두 부재들 중 하나의 부재에 양극 또는 음극 시트가 저항 용접에 의해 센터 핀에 결합되는 것을 특징으로 하는 제조방법
13. 제 12 항에 있어서, 상기 양극 또는 음극 시트의 단부가 분리막과 함께 센터 핀의 두 부재들 사이에 개재된 상태에서 권취가 행해지고 저항 용접에 의해 센터 핀에 결합되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 양극 또는 음극 시트와 센터 핀이 접하는 부위에서 저항 용접이 용이하게 일어날 수 있도록, 상기 센터 핀의 외면에 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
15. 삭제
16. 삭제

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