KR101201132B1 - 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극단자가 캡플레이트의 중심부를 지나도록 형성됨으로써, 이차전지의 생산성 저하를 방지할 수 있는 이차전지에 관한 것이다.
일례로, 양극탭과 음극탭을 구비하는 전극 조립체, 상기 전극조립체가 수용되는 캔, 중심부에서 일측부 방향으로 치우친 위치에 형성된 단자통공을 구비하며 상기 캔의 상단 개구부를 밀봉하는 캡플레이트, 상기 단자통공에 삽입되는 전극단자를 포함하며, 상기 전극단자는 상기 캡플레이트의 상부에서 상기 캡플레이트의 중심부를 지나도록 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지를 개시한다.

Description

이차전지{RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 리튬이온 배터리에는 배터리에 이상이 생겨 배터리 내부의 온도가 비정상적으로 상승하는 경우 온도 상승을 차단하기 위한 PTC(Positive Temperature Coefficient) 또는 Thermal Fuse와 같은 이차보호소자가 설치된다. 또한, 이러한 이차보호소자는 배터리의 외측부에 위치하는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 이차보호소자가 배터리의 외측부에 위치하는 경우 배터리 내부의 발생열을 검출하는 민감도가 떨어진다. 이를 개선하기 위해서 이차보호소자를 배터리의 내부에 삽입할 수 있는 구조가 개발되고, 이 경우 이차보호소자의 설치가 용이하도록 전극단자의 위치를 배터리의 중심부에서 측부로 이동시킨 구조 역시 개발되었다. 그러나, 이 경우 배터리를 대량으로 전지 트레이에 수납하여 충방전 과정을 거칠 때 충방전 플러그가 배터리의 캡플레이트 상의 중심부에 위치한 전극단자 위에 오도록 설계된 충방전 설비를 활용하기 어려워 이차전지의 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 만들어진 것으로서, 전극단자가 캡 플레이트 상면의 중심부를 기준으로 일측으로 치우친 위치에 형성됨으로 인하여 충방전 설비의 활용이 어려워져 전지의 생산성 저하가 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 양극탭과 음극탭을 구비하는 전극 조립체와, 상기 전극조립체가 수용되는 캔과, 중심부에서 일측부 방향으로 치우친 위치에 형성된 단자통공을 구비하며 상기 캔의 상단 개구부를 밀봉하는 캡플레이트와, 상기 단자통공에 삽입되는 전극단자를 포함하며, 상기 전극단자는 상기 캡플레이트의 상부에서 상기 캡플레이트의 중심부를 지나도록 연장되어 형성된 것일 수 있다.
상기 전극단자는 상기 캡플레이트의 상면으로 돌출되는 부분인 머리부와 상기 단자통공에 삽입되는 부분인 기둥부를 포함하여 형성되며, 상기 머리부는 상기 캡플레이트의 중심부를 지나도록 연장되어 형성된 것일 수 있다.
상기 캡플레이트의 일측으로 치우친 위치의 하부에는 상기 전극단자와 전기적으로 연결되는 터미널 플레이트가 형성되며, 캡플레이트의 하면과 상기 터미널 플레이트 사이에는 절연 플레이트가 형성된 것일 수 있다.
상기 절연 플레이트의 하면에는 이차보호소자가 부착되며, 상기 이차보호소자는 일측에 형성된 제1 연결탭에 의해 상기 터미널 플레이트와 전기적으로 연결되고, 타측에 형성된 제2 연결탭에 의해 상기 음극탭과 전기적으로 연결되는 것일 수 있다.
상기 절연 플레이트와 이차보호소자 사이에는 단열 플레이트가 더 형성된 것일 수 있다.
상기 캡플레이트의 하면 중 중심부에서 타측으로 치우친 위치에는 제2 절연 플레이트가 형성되고, 상기 제2 절연 플레이트의 하면에는 제2 터미널 플레이트가 더 형성되는 것일 수 있다.
상기 제2 절연 플레이트의 하면에는 이차보호소자가 형성되며, 상기 이차보호소자의 타측은 제3 연결탭에 의해 상기 제2 터미널 플레이트와 연결되고, 이차보호소자의 일측은 제4 연결탭에 의해 상기 캡플레이트 하면에 연결되며, 상기 제2 터미널 플레이트는 상기 양극탭과 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
상기 캡플레이트의 일측으로 치우친 위치의 하면에는 절연 플레이트가 형성되며, 상기 절연플레이트의 하면에는 상기 전극단자 및 음극탭과 전기적으로 연결되는 이차보호소자가 부착되는 것일 수 있다.
상기 전극단자와 캡플레이트 사이에는 절연가스켓이 설치되며, 상기 절연가스켓은 상기 전극단자와 대응되는 크기 및 형상을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 이차 보호소자가 전지 내부의 온도 변화에 더 민감하게 작동하게 하기 위해서 이차 보호소자를 전지의 내부에 형성하는데 따른 문제점을 해소할 수 있다.
즉, 전극 단자가 캡 플레이트 상에서 중심부를 기준으로 일측으로 치우친 위치에 형성됨으로 인해서 충방전 설비의 활용이 어려워져 이차 전지의 생산성 저하가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 베어셀을 도시한 사시도이다.
도 2-a는 도3의 A방향에서 바라본 전극단자 및 절연 가스켓에 대한 부분 단면도이다.
도 2-b는 도3의 C방향에서 바라본 평면도이다.
도 3는 도 3의 X-X'선을 따라 절취된 부분의 단면도로서 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 베어셀의 부분 단면도이다.
도 4은 도 3의 X-X'선을 따라 절취된 부분의 단면도로서 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 베어셀의 부분 단면도이다.
도 5은 도 3의 X-X'선을 따라 절취된 부분의 단면도로서 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 베어셀의 부분 단면도이다.
도 6은 도 3의 X-X'선을 따라 절취된 부분의 단면도로서 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 베어셀의 부분 단면도이다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 베어셀(100a)을 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단면도로써 도1의 절취선 X-X'를 따라 절취된 부분의 단면도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 베어셀(100a)은 캔(200)과, 상기 캔(200)의 내부에 수용되는 전극 조립체(210)와, 상기 캔(200)의 상단 개구부를 밀봉하는 캡 조립체(300a)를 포함하여 형성된다.
상기 캔(200)은 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재로 형성될 수 있으며, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 상기 캔(200)의 상단은 개구되어 상단 개구부가 형성되며, 이 상단 개구부를 통해 전극 조립체(210)가 수용된다.
상기 전극조립체(210)는 도 3을 참조하면, 양극판(211)과 음극판(213) 및 세퍼레이터(212)를 포함한다. 상기 양극판(211)과 음극판(213)은 세퍼레이터(212)를 개재하여 적층된 후 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 권취될 수 있다. 상기 양극판(211)에는 양극탭(150)이 용접되어 있으며, 이 양극탭(150)의 일 단부는 상기 전극 조립체(210)의 상방으로 돌출하여 있다.
상기 캡 조립체(300a)는 캡 플레이트(310a)와 전극단자(320)와 이차 보호소자(330a)를 포함하여 형성된다.
상기 캡플레이트(310a)는 상기 캔(200)의 상단개구부와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 캡 플레이트(310a)의 일측부(301)에서 타측부(302)에 이르는 거리의 중간지점에 해당하는 중심부에서 일측부(301)쪽으로 치우친 소정의 위치에는 캡플레이트(310a)의 상면(304)에서 하면(303)을 향하는 방향인 두께 방향으로 전극단자(320)가 삽입될 수 있도록 단자통공(311a)이 형성되어 있다. 상기 단자통공(311a)에는 전극 단자(320), 예를 들면 음극 단자가 삽입된다. 캡 플레이트(310a)의 중심부에서 타측부(302)쪽으로 치우친 소정의 위치에는 캡플레이트(310a)의 두께 방향으로 전해액이 주입되는 소정 크기의 전해액 주입공(312)이 형성된다. 캡플레이트(310a) 하면(303)의 중심부에는 상기 전극 조립체(210)의 음극탭(140)이 용접되며, 캡플레이트(310a)의 타측에는 전극 조립체(210)의 양극탭(150)이 용접된다.
상기 전극 단자(320)는 상기 캡플레이트(310a)의 상면 위로 돌출되도록 형성된 머리부(321)와 상기 단자통공(311a)에 삽입되는 기둥부(322)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 캡플레이트(310a)와 전극단자(320) 사이에는 전기적 절연을 위하여 절연가스켓(340)이 설치되어 있다. 상기 절연가스켓(340)은 전극단자(320)와 대응되는 크기 및 형상을 갖는다.
도 2-a, 도 2-b, 도 2-c 는 각각 도1의 A, B, C 방향에서 바라본 전극 단자(320)와 절연 가스켓(340)을 나타내는 부분 단면도이다.
도 2-a 를 참조하면 상기 전극단자(320)는 정면(도 1의 A방향)에서 보았을 때, 단자 통공(311a)에 삽입되는 기둥부(322)의 일측부(322a)와 타측부(322b)로부터 거리가 같은 지점을 지나는 중심선 L 을 기준으로 좌,우의 길이가 비대칭인 형태를 갖는다. 따라서 상기 전극단자(320)는 상기 캡플레이트(310a) 상면 위로 노출되도록 형성된 머리부(321)의 일측부(321a)로부터 중심선 L 에 이르는 거리보다 타측부(321b)로부터 중심선 L 에 이르는 거리가 더 길게 형성된다. 또한, 절연가스켓(340)의 경우도 일측부(341)로부터 중심선 L 에 이르는 거리보다 타측부(342)로부터 중심선 L 에 이르는 거리가 더 길게 형성된다.
도 2-b를 참조하면 상기 전극단자(320)는 위에서 내려다 보았을때(도 1의 C방향), 상기 머리부(321)의 일측부(321a)로부터 타측부(321b)에 이르는 길이가 캡 플레이트(310a)의 일측부(301)와 타측부(302)로부터 거리가 동일한 지점을 지나는 중심선 N 을 지나는 형태를 형성한다. 즉, 상기 머리부(321)의 타측부는 상기 캡플레이트의 타측 방향으로 연장되어 상기 캡플레이트의 중심부를 지나도록 형성된다.
이 경우, 전극 단자(320)의 일측부(321a)와 중심선 N 사이의 거리 및 타측부(321b)와 중심선 N 사이의 거리는, 바람직하게는 화성공정시 충방전 플러그가 상기 전극단자(320)의 머리부(321) 상면에 접촉되는 부분(충방전 플러그의 끝단부라 정의한다.)의 두께보다 크게 형성되도록 한다. 이는 화성공정시 충방전 플러그의 끝단부 전체가 전극단자 상에 안착되게 하기 위함이다. 또한, 절연 가스켓(340)의 경우도 일측부(341)로부터 타측부(342)에 이르는 거리가 중심선 N 을 지나는 형태를 갖는다.
도 3 을 참조하면, 상기 캡 플레이트(310a)의 일측(301)으로 치우친 위치의 하부에는 상기 전극 단자(320) 와 전기적으로 연결되는 터미널 플레이트(314)가 형성되며 터미널 플레이트(314)와 캡 플레이트(310a) 간의 전기적 절연을 위하여 캡플레이트(320)의 하면(303)과 상기 터미널 플레이트(314) 사이에는 절연 플레이트(313)가 설치된다. 상기 절연플레이트(313)는 PP테이프와 같은 절연테이프가 사용될 수 있다. 한편 상기 전극 단자(320)는 형성 위치에 따라서는 양극 단자로 형성되어 양극탭(150)이 연결될 수 있음은 물론이다.
상기 이차 보호소자(330a)는 상기 캡 플레이트(310a)의 하면(303)에 위치한 절연플레이트(313)의 하면에 부착된 터미널 플레이트(314)와 제1 연결탭(315)을 통하여 전기적으로 연결됨으로써 전극단자(320)와 전기적으로 연결되며, 제2 연결탭(316)에 의해서 상기 음극탭(140)과 전기적으로 연결 된다. 상기 이차 보호소자(330a)의 일측과 타측에 형성되는 제1연결탭(315) 및 제2연결탭(316)은 이차 보호소자(330a)와 일체로 형성될 수도 있다.
상기 이차 보호소자(330a)로는 온도 퓨즈(thermal fuse),PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자 또는 바이메탈 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 이차 보호소자(330a)로는 저가이면서 온도 민감성이 우수한 온도 퓨즈를 사용한다. 상기 온도 퓨즈는 주석을 주성분으로 하는 주석합금으로 형성되며, 온도 민감성을 증가시키기 위하여 박막으로 형성된다. 온도 퓨즈는 전지의 일반적인 사용온도 및 제조 공정을 고려하여 90~100℃ 사이에서 동작되도록 성분을 조정하여 설계하는 것이 바람직하다. 즉 작동 온도가 90도 이하가 되면 이차전지의 제조공정 중 에이징 공정에서 녹아버리는 문제가 발생하게 된다. 또한 작동 온도가 100도가 넘으면 이차전지의 과열에 대한 폭발 등의 위험성을 효과적으로 방지할 수 없게 된다.
상기 온도퓨즈로는 주석(Sn) 70 내지 90%, 아연(Zn) 5 내지 10%, 납(Pb) 1 내지 4% 및 기타금속이 잔량으로 포함된 주석합금이 사용된다. 또한 상기 온도퓨즈로는 주석 22%, 납 28%, 비스무트 50%가 포함된 합금이 사용될 수 있다.
상기 온도 퓨즈는 박막으로 형성되고, 또한 캡 플레이트(310a)의 하면(303)에 형성되므로 전해액과의 반응에 의하여 손상을 입는 것을 방지하기 위해서 폴리에틸렌 또는 폴리우레탄 필름으로 보호막을 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기에서는 이차 보호소자(330a)를 연결함에 있어서 캡 플레이트(310a)의 전극 단자(320)를 음극 단자로 현성하고, 음극 단자와 음극탭(140) 사이에 이차 보호소자(330a)가 연결되는 것으로 형성하였으나, 캡 플레이트(310a)의 전극 단자(320)를 양극 단자로 형성하고 양극 단자와 양극탭(150) 사이에 이차 보호소자(330a)를 연결할 수 있음은 물론이다.
다음은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 중 도 3과 대응되는 부분의 단면도이다.
도 4에서의 다른 실시예에 따른 이차전지는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 이차전지와 비교하여 단열 플레이트(317)가 더 구비되어 있다는 점만이 다를뿐 나머지 구성은 동일하며 동일한 역할을 한다. 따라서 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하며, 단열 플레이트(317)에 대해서만 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 상기 단열 플레이트(317)는 절연 플레이트(313)와 이차 보호소자(330b) 사이에 폴리우레탄계 접착형 수지를 사용하여 형성된다. 이러한 폴리우레탄계 접착형 수지로 형성되는 단열플레이트(317)는 특히 이차 보호소자(330b)가 온도 퓨즈인 경우에 약한 인장강도를 보강하는 한편 전지 외부의 온도가 온도 퓨즈에 전달되어 온도 퓨즈가 오작동하는 것을 방지할 수 있게 된다. 이차 보호소자(330a)가 고정되는 절연 플레이트(313)를 PP테이프 대신에 폴리우레탄 수지로만 형성하여 단열플레이트(317) 하나로 절연 및 단열 기능을 동시에 수행하게 할 수 있음은 물론이다.
다음은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지에 대해 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지 중 도 3과 대응하는 부분의 단면도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지와 비교하여 이차 보호소자(330c)의 형성 위치가 다르고 제2 절연 플레이트(313c)와 제2 터미널 플레이트(314c)가 각각 하나씩 더 구비되는 점이 다를 뿐 나머지 구성은 동일하며 동일한 역할을 한다. 따라서 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하며, 상기의 차이점에 대해서만 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 양극탭(150)과 캡 플레이트(310a) 사이에 이차보호소자(330c)를 형성하는 것도 가능하다. 즉 캡플레이트(320)의 하면(303) 중 중심부에서 타측(302)으로 치우친 위치에는 제2 절연플레이트(313c)가 형성되고, 제2 절연플레이트(313c)와 양극탭(150) 사이에는 제2 터미널플레이트(314c)가 형성된다. 또한, 양극탭(150)은 제2 터미널 플레이트(314c)와 연결되고 제2 터미널플레이트(314c)는 이차보호소자(330c)의 타측에 형성된 제3 연결탭(318)에 연결된다. 이차보호소자(330c)는 상기 이차보호소자(330c)의 일측에 형성된 제4 연결탭(319)에 의하여 캡플레이트(310a)에 연결된다. 따라서 양극탭(150)의 전류는 캡플레이트(310a)로 직접 흐르지 않고 이차보호소자(330c)를 통하여 흐르게 된다.
또한, 상기 캡플레이트(310a)의 전극단자(320)는 양극단자로 사용하고, 음극탭(140)과 캡플레이트(310a) 사이에 이차보호소자(330c)를 형성하는 것이 가능함은 물론이다.
다음은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지에 대해 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지 중 도 3과 대응되는 부분의 단면도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지와 비교하여 이차보호소자(330d)가 터미널플레이트(314)와 일체로 형성된다는 점이 다를 뿐 나머지 구성은 동일하며 동일한 역할을 한다. 따라서 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하며, 터미널플레이트(314)와 일체로 형성된 이차보호소자(330d)에 대해서만 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 도 3에서와 같이 절연플레이트(313)의 하면(303)에 터미널플레이트(314)와 이차보호소자(330a)를 따로 형성하지 않고, 전극단자(320)와 음극탭(140)을 연결하는 터미널플레이트(314)를 대신하여 이차보호소자(330d)를 사용하여 전극단자(320)와 음극탭(140)을 전기적으로 연결하게 되므로 별도의 터미널플레이트가 필요 없게 된다. 따라서 캡조립체의 구조가 간단하게 형성될 수 있다. 한편, 전극단자(320)가 음극단자가 아닌 양극단자로 사용되는 경우도 가능함은 물론이다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
100a,100b,100c,100d: 베어셀 200: 캔
210: 전극 조립체 140: 음극탭
150: 양극탭 300a: 캡조립체
310a: 캡 플레이트 320: 전극 단자
321: 머리부 322: 기둥부
330, 330c,330d: 이차보호소자

Claims (9)

  1. 양극탭과 음극탭을 구비하는 전극 조립체;
    상기 전극조립체가 수용되는 캔;
    중심부에서 일측부 방향으로 치우친 위치에 형성된 단자통공을 구비하며 상기 캔의 상단 개구부를 밀봉하는 캡플레이트; 및
    상기 단자통공에 삽입되는 전극단자;를 포함하며,
    상기 전극단자는 상기 단자통공에 삽입되는 부분을 기준으로 상기 캡플레이트의 상부에서 상기 캡플레이트의 중심부를 지나도록 비대칭적으로 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극단자는 상기 캡플레이트의 상면으로 돌출되는 부분인 머리부와 상기 단자통공에 삽입되는 부분인 기둥부를 포함하여 형성되며, 상기 머리부는 상기 캡플레이트의 중심부를 지나도록 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡플레이트의 일측으로 치우친 위치의 하부에는 상기 전극단자와 전기적으로 연결되는 터미널 플레이트가 형성되며 캡플레이트의 하면과 상기 터미널 플레이트 사이에는 절연 플레이트가 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연 플레이트의 하면에는 이차보호소자가 부착되며, 상기 이차보호소자는 일측에 형성된 제1 연결탭에 의해 상기 터미널 플레이트와 전기적으로 연결되고, 타측에 형성된 제2 연결탭에 의해 상기 음극탭과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항 에 있어서,
    상기 절연 플레이트와 이차보호소자 사이에는 단열 플레이트가 더 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 3항 에 있어서,
    상기 캡플레이트의 하면 중 중심부에서 타측으로 치우친 위치에는 제2 절연 플레이트가 형성되고, 상기 제2 절연 플레이트의 하면에는 제2 터미널 플레이트가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2 절연 플레이트의 하면에는 이차보호소자가 형성되며, 상기 이차보호소자의 타측은 제3 연결탭에 의해 상기 제2 터미널 플레이트와 연결되고, 이차보호소자의 일측은 제4 연결탭에 의해 상기 캡플레이트 하면에 연결되며, 상기 제2 터미널 플레이트는 상기 양극탭과 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 캡플레이트의 일측으로 치우친 위치의 하면에는 절연 플레이트가 형성되며, 상기 절연플레이트의 하면에는 상기 전극단자 및 음극탭과 전기적으로 연결되는 이차보호소자가 부착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전극단자와 캡플레이트 사이에는 절연가스켓이 설치되며, 상기 절연가스켓은 상기 전극단자와 대응되는 크기 및 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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