KR101222228B1 - 리튬 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

리튬 이차전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캡 플레이트의 일측을 압착하여 안전밴트를 형성하는 대신, 전해액주입구를 보다 크게 형성하고 레이저 용접을 이용하여 별도의 플레이트로 전해액주입구를 밀봉함으로써 안전밴트 역할을 수행할 수 있도록 하여, 안전밴트 형성시 별도의 압착 공정이 필요없을 뿐만 아니라 전해액주입구를 밀봉하기 위한 볼 압입공정이 필요없으며, 또한 전해액주입구가 넓어져 전해액의 주입이 보다 원활하게 이루어질 수 있는 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
리튬 이차전지, 안전밴트, 전해액주입구, 압착공정, 레이저 용접

Description

리튬 이차전지 및 그 제조방법{Lithium rechargeable battery and Method of making the same}
도 1은 일반적인 리튬 이차전지의 분리 사시도
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 분리 사시도
도 2b는 도 2a의 캡플레이트와 안전밴트용 플레이트가 용접되기 전의 평면도
도 2c는 도 2b의 A-A 수직 단면도
도 2d는 도 2b의 캡플레이트와 안전밴트용 플레이트가 용접된 후의 평면도
도 2e는 도 2d의 B-B 수직 단면도
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡플레이트와 안전밴트용 플레이트가 용접되기 전의 평면도
도 3b는 도 3a의 C-C 수직 단면도
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
200 - 리튬 이차전지 210 - 캔
220 - 전극조립체 230 - 캡조립체
240, 340 - 캡플레이트 242, 342 - 전해액주입구
244, 344 - 안전밴트용 플레이트 270 - 절연케이스
본 발명은 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캡 플레이트의 일측을 압착하여 안전밴트를 형성하는 대신, 전해액주입구를 보다 크게 형성하고 레이저 용접을 이용하여 별도의 플레이트로 전해액주입구를 밀봉함으로써 안전밴트 역할을 수행할 수 있도록 하여, 안전밴트 형성시 별도의 압착 공정이 필요없을 뿐만 아니라 전해액주입구를 밀봉하기 위한 볼 압입공정이 필요없으며, 또한 전해액주입구가 넓어져 전해액의 주입이 보다 원활하게 이루어질 수 있는 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 리튬 이차전지의 분리 사시도를 나타낸다.
상기 리튬 이차전지(100)는 양극판(123), 음극판(125) 및 세퍼레이터(124)로 구성되는 전극조립체(120)를 전해액과 함께 캔(110)에 수납하고, 이 캔(110)의 상단개구부(110a)를 캡조립체(120)로 밀봉함으로써 형성된다.
상기 캔(110)은 일반적으로 알루미늄 또는 그 합금 재질로 형성되며, 딥드로잉 방식에 의하여 제작된다. 상기 캔(110)의 하면(110b)은 일반적으로 거의 평면 형상으로 형성된다.
상기 전극조립체(120)는 양극판(123)과 음극판(125) 사이에 세퍼레이터(124)가 개재되면서 권취되어 형성된다. 상기 양극판(123)에는 양극탭(126)이 결합되어 전극조립체(120)의 상단부로 돌출되며, 음극판(125)에는 음극탭(127)이 결합되어 전극조립체(120)의 상단부로 돌출된다. 상기 전극조립체(120)에서 상기 양극탭(126)과 음극탭(127)은 소정거리 떨어져 형성되어 전기적으로 절연되도록 한다. 상기 양극탭(126)과 음극탭(127)은 일반적으로 니켈 금속으로 형성된다.
상기 캡조립체(130)는 캡플레이트(140)와 절연플레이트(150)와 터미널플레이트(160) 및 전극단자(135)를 포함하여 구성된다. 캡조립체(130)는 별도의 절연케이스(170)와 결합되어 캔(110)의 상단개구부(110a)에 결합되어 캔(110)을 밀봉하게 된다.
상기 캡플레이트(140)는 상기 캔(110)의 상단개구부(110a)와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 상기 캡플레이트(140)의 중앙에는 소정 크기의 단자통공1(141)이 형성되며, 단자통공1(141)에 삽입될 때는 전극단자(135)와 캡플레이트(140)의 절연을 위하여 전극단자(135)의 외면에는 튜브형의 개스킷튜브(146)가 결합되어 함께 삽입된다. 한편, 상기 캡플레이트(140)의 일측에는 전해액주입공(142)이 소정크기로 형성된다. 또한, 상기 캡플레이트(140)의 타측에는 안전밴트(143)가 소정의 크기로 형성된다. 상기 안전밴트(143)는 전지 내부에서 발생 한 가스에 의해 파손되어 전지의 폭발을 방지할 수 있도록 타 부분에 비해 얇게 형성된다. 상기 캡조립체(120)가 상기 캔(110)의 상단개구부(110a)에 조립된 후 전해액주입공(142)을 통하여 전해액이 주입되고, 전해액주입공(142)은 별도의 밀폐수단에 의하여 밀폐된다.
상기 전극단자(135)는 상기 음극판(125)의 음극탭(127) 또는 상기 양극판(123)의 양극탭(126)에 연결되어 음극단자 또는 양극단자로 작용하게 된다.
상기 절연플레이트(150)는 가스켓과 같은 절연물질로 형성되며, 캡플레이트(140)의 하면에 결합된다. 절연플레이트(150)에는 상기 캡플레이트(140)의 단자통공1(141)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(135)가 삽입되는 단자통공2(151)가 형성되어 있다. 상기 절연플레이트(150)의 하면에는 상기 터미널플레이트(160)가 안착되도록 터미널플레이트(160)의 크기에 상응하는 안착홈(152)이 형성된다.
상기 터미널플레이트(160)는 일반적으로 니켈 합금으로 형성되며, 상기 절연플레이트(150)의 하면에 장착된다. 상기 터미널플레이트(160)에는 캡플레이트(140)의 단자통공1(141)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(135)가 삽입되는 단자통공3(161)이 형성되어 있으며, 상기 전극단자(135)가 상기 개스킷튜브(146)에 의하여 절연되면서 캡플레이트(140)의 단자통공1(141)을 통하여 결합되므로 상기 터미널플레이트(160)는 상기 캡플레이트(140)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(135)와 전기적으로 연결된다.
상기 터미널플레이트(160)의 일측에는 상기 음극판(125)에 결합된 음극탭(127)이 용접되며, 캡플레이트(140)의 타측에는 상기 양극판(123)에 결합된 양극 탭(126)이 용접된다. 상기 음극탭(127)과 양극탭(126)을 결합시키는 용접방법으로는 저항용접, 레이저 용접 등이 사용되며, 일반적으로는 저항용접이 사용된다.
상기 절연케이스(170)는 캡조립체(130)와 전극조립체(120) 사이의 절연을 담당하게 되며, 양극탭용 홈(172)과 음극탭용 홀(174) 및 안전밴트용 홀(176)이 형성되어 있다.
통상적으로 안전밴트는 특정한 내부 가스 압력에 의해 파손될 수 있도록 타 부분에 비해 얇게 형성되며, 압착 공정에 의해 이루어진다. 즉, 안전밴트의 테두리가 프레스기 등에 의해 압착되어 소정 크기의 두께로 제조되기 때문에, 안전밴트가 형성되기 위해서는 별도의 압착 공정이 반드시 필요하다는 문제점이 있다. 한편, 전해액주입구는 전해액이 주입된 후에 볼 등으로 압입하고 레이저 용접을 통해서 전해액주입구가 밀폐될 수 있도록 한다. 이렇게 안전밴트와 전해액주입구가 별도로 형성됨으로 인해 공정이 길어질 뿐만 아니라, 전해액주입구를 밀봉하기 위해 볼 압입 및 용접 공정이 별도로 요구된다는 문제점이 있다. 또한, 전해액주입구는 캡플레이트의 일측에 매우 작은 크기로 형성되기 때문에 전해액의 주입이 원활하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 캡 플레이트의 일측을 압착하여 안전밴트를 형성하는 대신, 전해액주입구를 보다 크게 형성하고 레이저 용접을 이용하여 별도의 플레이트로 전해액주입구를 밀봉함으로써 안전밴트 역할을 수행할 수 있도록 하여, 안전밴트 형성시 별도의 압착 공정이 필요 없을 뿐만 아니라 전해액주입구를 밀봉하기 위한 볼 압입공정이 필요없으며, 또한 전해액주입구가 넓어져 전해액의 주입이 보다 원활하게 이루어질 수 있는 리튬 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 리튬 이차전지는 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 전해액주입구가 형성된 캡플레이트를 구비하며, 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체와, 상기 전극조립체와 상기 캡조립체 사이에 위치하는 절연케이스를 포함하여 이루어지는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 전해액주입구는 안전밴트용 플레이트로 밀봉되도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 밀봉은 용접 방식에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 상기 용접 방식은 레이저 용접으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 용접은 상기 안전밴트용 플레이트의 가장자리를 따라 이루어질 수 있다. 또한, 상기 안전밴트용 플레이트는 가장자리 부분의 두께가 다른 부분에 비해 얇게 형성될 수 있다. 또한, 상기 안전밴트용 플레이트는 40 내지 80㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 캡플레이트는 상기 레이저 용접이 이루어진 부분이 전체 두께의 10 내지 25%가 되도록 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 캡플레이트는 상기 레이저 용접이 이루어진 부분이 100 내지 200㎛가 되도록 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전해액주입구는 가장 좁은 부분이 2 내지 5㎜의 직경으로 형성되 는 것이 바람직하다. 또한, 상기 안전밴트용 플레이트는 평면 형상이 사각형상, 원형상, 타원형상 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 절연케이스는 상기 전해액주입구와 대응되는 위치에 안전밴트용 홀이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 제조 방법은 캔에 전극조립체를 삽입하는 단계; 상기 캔의 상단개구부를 캡조립체로 밀봉하는 단계; 상기 캡조립체에 형성된 전해액주입구를 통하여 전해액을 주입하는 단계; 상기 전해액주입구 상부에 안전밴트용 플레이트를 준비하는 단계; 및 상기 안전밴트용 플레이트의 가장자리를 따라 레이저 용접이 이루어지는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 분리 사시도를 나타내며, 도 2b는 도 2a의 캡플레이트와 안전밴트용 플레이트가 용접되기 전의 평면도를 나타내며, 도 2c는 도 2b의 A-A 수직 단면도를 나타내며, 도 2d는 도 2b의 캡플레이트와 안전밴트용 플레이트가 용접된 후의 평면도를 나타내며, 도 2e는 도 2d의 B-B 수직 단면도를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는, 도 2a를 참조하면, 양극판(223), 음극판(225) 및 세퍼레이터(224)로 구성되는 전극조립체(220)를 전해액과 함께 캔(210)에 수납하고, 이 캔(210)의 상단개구부를 캡조립체(230)로 밀봉함으로써 형성된다. 상기 리튬 이차전지(200)는 장변을 포함하며 서로 마주보도록 형성되는 정면과 배면, 단변을 포함하며 서로 마주보도록 형성되는 양 측면, 상기 캡플레이트(240)가 위치하는 상면과 상기 상면과 마주보는 하면을 포함하여 이루어진다.
상기 전극조립체(220)는 양극판(223)과 음극판(225)사이에 세퍼레이터(224)가 게재되면서 권취되어 형성된다.
상기 양극판(223)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극 집전체와, 그 양면에 코팅된 양극 활물질층을 포함하고 있다. 상기 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬산화물이 사용되고 있다. 상기 양극판(223)의 양 말단에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체 영역, 즉 양극 무지부가 형성된다. 상기 양극 무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되며, 전극 조립체(220)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극 탭(226)이 접합되어 있다.
상기 음극판(225)은 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고 있다. 상기 음극판(225)의 양 말단은 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체 영역, 즉 음극 무지부가 형성된다. 상기 음극 무지부의 일단에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 형성되며, 전극 조립체(220)의 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(227)이 접합되어 있다. 더불어 상기 전극 조립체(220)의 하부에는 캔(210)과의 접촉을 방지하기 위한 절연판이 더 포함되어 형성될 수 있다.
상기 세퍼레이터(224)는 상기 양극판(223)과 음극판(225) 사이에 개재되며 상기 전극조립체(220)의 외주면을 둘러 싸도록 연장되어 형성될 수도 있다. 상기 세퍼레이터(224)는 상기 양극판(223)과 음극판(225)의 단락을 방지하며, 리튬 이온을 통과시킬 수 있도록 다공막 고분자물질로 형성된다.
상기 캔(210)는 대략 직사각형 형상의 한 쌍의 장측벽(212)과, 한 쌍의 단측벽(213) 및 하면판(210b)을 포함하여 대략 박스 형상으로 형성되며, 상부는 개구되어 상단 개구부(210a)를 이루고 있다. 또한, 상기 캔(210)는 대략 박스형상으로 형성될 때 수평방향으로의 단면의 형상이 사각형상 또는 타원형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 상단개구부(210a)로는 상기 전극조립체(212)가 삽입된다. 또한, 상기 전극조립체(220) 사이로 함침하여 리튬 이온의 이동을 가능하게 해 주는 전해액이 주입된다. 캔(210)의 재질은 주로 가벼운 알루미늄(Al)이 사용된다. 상기 캔(210)의 상부는 캡조립체(230)에 의해 밀봉되어, 전해액의 누출이 방지된다. 상기 캔(210)의 장측벽(212)과 단측벽(213)의 두께는 대략 0.2 내지 0.4mm로 형성되며, 상기 하면판(210b)의 두께는 대략 0.2 내지 0.7mm로 형성된다. 다만, 여기서 상기 장측벽(212)과 단측벽(213)의 두께를 한정하는 것은 아니다. 상기 캔(210)는 바람직하게는 딥드로잉(deep drawing) 방식에 의하여 형성되며, 상기 장측벽(212)과 단측벽(213) 및 상기 하면판(210b)은 일체형으로 형성된다. 다만, 여기서 상기 캔(210)의 형성 방법을 한정하는 것은 아니다.
상기 캡 조립체(230)는 안전밴트용 플레이트(244)를 구비하는 캡 플레이트(240)와 절연 플레이트(250)와 터미널 플레이트(260) 및 전극단자(235)를 포함하 여 구성된다. 캡 조립체(230)는 별도의 절연케이스(270)와 결합되어 캔(210)의 상단 개구부(210a)에 결합되어 캔(210)을 밀봉하게 된다.
상기 캡 플레이트(240)는, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 단자통공1(241)과 전해액주입구(242)와 안전밴트용 플레이트(244)를 포함하여 형성되며, 상기 캔(210)의 상단개구부(210a)에 용접되어 상기 캔(210)을 밀봉한다.
상기 단자통공1(241)은 상기 캡플레이트(240)의 대략 중앙에 형성되어 있으며, 상기 단자통공1(241)에는 가스캣 튜브(246)에 의해 절연된 전극단자(235)가 삽입된다.
상기 전해액주입구(242)는 상기 캡플레이트(240)의 일측에 형성되며, 안전밴트용 플레이트(244)에 의해 밀봉된다. 즉, 상기 전해액주입구(242)는 전지 내부로 전해액을 주입하기 위한 입구로서의 역할 뿐만 아니라, 전지 내부의 온도가 고온으로 상승하거나 과충전되어 내부에 가스가 다량 발생하는 경우 안전밴트로서의 역할도 겸하게 된다. 이 때, 상기 전해액주입구(242)는 평면 형상이 원형상, 타원형상, 사각형상 등으로 형성될 수 있으며, 여기서 상기 전해액주입구(242)의 평면 형상을 한정하는 것은 아니다. 상기 전해액주입구(242)는 수직 단면 형상이 11자형상, Y자 형상 등으로 형성될 수 있으며, 여기서 상기 전해액주입구(242)의 수직단면 형상을 한정하는 것은 아니다. 상기 전해액주입구(242)는 가장 좁은 부분이 2 내지 5mm의 직경으로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서 상기 전해액주입구(242)의 직경을 한정할 때 가장 좁은 부분을 기준으로 한 것은, 안전밴트 기능을 수행하게 될 때 내부에서 발생한 가스가 가장 좁은 부분을 통과하여 상부에 실제적인 압력을 미치기 때문이다. 상기 전해액주입구(242)의 가장 좁은 부분 직경이 2mm미만이 되도록 형성되면 안전밴트로서의 크기가 지나치게 작아져서 내부 가스가 원활하게 배출되는데 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라, 전해액이 원활하게 주입되는데 방해가 된다는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 전해액주입구(242)의 가장 좁은 부분 직경이 5mm를 초과하도록 형성되면 내부가스가 접촉하는 면적이 지나치게 넓어지므로 압력이 감소하게 되어 안전밴트의 작동 시기가 지연된다는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 안전밴트용 플레이트(244)는 전해액주입구(242)를 밀봉하도록 상기 전해액주입구(242)의 상부에 형성된다. 따라서, 상기 안전밴트용 플레이트(244)는 상부에서 볼 때 상기 전해액주입구(242)를 완전히 덮을 수 있는 폭과 길이로 형성된다. 이 때, 상기 안전밴트용 플레이트(244)는 평면 형상이 사각형상, 원형상, 타원형상 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 여기서 상기 안전밴트용 플레이트(244)의 평면 형상을 한정하는 것은 아니다. 상기 안전밴트용 플레이트(244)는 전해액주입구(242)를 밀봉하기 위해 가장자리 부분이 용접 방식으로 캡플레이트(240)에 부착된다. 상기 용접방식으로는 레이저 용접이 바람직하며, 다만 경우에 따라 저항 용접도 가능함은 물론이다. 또한, 상기 안전밴트용 플레이트(244)는 40 내지 80㎛의 두께가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 안전밴트용 플레이트(244)의 두께가 40㎛ 미만이 되도록 형성되면, 미세한 외부 충격에도 파손되어 전해액이 누출될 수 있을 뿐만 아니라 용접 부위가 지나치게 얇아져서 충분한 용접이 이루어지기 어렵다는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 안전밴트용 플레이트(244)의 두께가 80㎛를 초과하도록 형성되면, 캡플레이트(240)의 표면까지 용접되기에는 지나치게 두 껍게 되어 용접심도가 얕아지므로 안전밴트로서 파손이 일어나야 할 시점이 정확하게 조절되기 어렵다는 문제점이 발생할 수 있다. 상기 안전밴트용 플레이트(244)는 평판 형상으로 형성된다. 또한, 상기 캡플레이트(240)는 상기 안전밴트용 플레이트(244)가 레이저 용접될 때, 용접된 부분이 캡플레이트(240) 전체 두께의 10 내지 25%가 되도록 용접되는 것이 바람직하다. 레이저 용접된 부분의 용접심도가 캡플레이트(240) 전체 두께의 10% 미만이 되도록 형성되면, 용접심도가 지나치게 얕게 형성되므로 안전밴트가 지나치게 일찍 작동하게 되어 전지로서의 기능을 발휘하지 못하게 된다는 문제점이 발생할 수 있다. 한편, 레이저 용접된 부분의 용접심도가 캡플레이트(240) 전체 두께의 25%를 초과하도록 형성되면, 용접심도가 지나치게 깊게 형성되므로 안전밴트의 작동 시기가 지연되어 전지가 발화, 폭발할 수 있다는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 상기 캡플레이트(240)는 안전밴트용 플레이트(244)가 용접될 때, 레이저 용접된 부분의 용접심도가 100 내지 200㎛가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 캡플레이트(240)는 알루미늄 또는 니켈 등의 금속 재질로 이루어지므로, 열이 가해진 후 서냉되어 어닐링(anealing)이 이루어지면 원자결합구조가 변하여 강도가 약해지게 된다. 따라서 기계적으로 압착하여 형성된 통상적인 안전밴트의 두께인 20~40㎛보다 용접심도가 두껍게 형성되더라도 충분히 안전밴트의 역할을 수행할 수 있다. 상기 안전밴트용 플레이트(244)는 전해액주입구(242)를 밀봉하여 전해액이 누출되는 것을 막는 역할을 할 뿐만 아니라, 내부 가스에 의하여 레이저 용접된 부분이 파손되어 안전밴트의 역할도 겸할 수 있게 된다.
상기 절연 플레이트(250)는 가스켓과 같은 절연물질로 형성되며, 캡 플레이 트(240)의 하면에 결합된다. 절연 플레이트(250)에는 상기 캡 플레이트(240)의 단자통공1(241)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(235)가 삽입되는 단자통공2(251)가 형성되어 있다. 상기 절연 플레이트(250)의 하면에는 상기 터미널 플레이트(260)가 안착되도록 터미널 플레이트(260)의 크기에 상응하는 안착홈(252)이 형성된다.
상기 터미널 플레이트(260)는 일반적으로 Ni합금으로 형성되며, 상기 절연 플레이트(250)의 하면에 장착된다. 상기 터미널 플레이트(260)에는 캡 플레이트(240)의 단자통공1(241)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(235)가 삽입되는 단자통공3(261)이 형성되어 있으며, 상기 전극단자(235)가 상기 개스킷 튜브(246)에 의하여 절연되면서 캡 플레이트(240)의 단자통공1(241)을 통하여 결합되므로 상기 터미널 플레이트(260)는 상기 캡 플레이트(240)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(235)와 전기적으로 연결된다.
상기 터미널 플레이트(260)의 일측에는 상기 음극판(225)에 결합된 음극탭(227)이 용접되며, 캡 플레이트(240)의 타측에는 상기 양극판(223)에 결합된 양극탭(226)이 용접된다. 상기 음극탭(227)과 양극탭(226)을 결합시키는 용접방법으로는 저항용접, 레이저 용접 등이 사용되며 일반적으로는 저항용접이 사용된다. 상기 전극단자(235)는 상기 음극판(225)의 음극탭(227) 또는 상기 양극판(223)의 양극탭(226)에 연결되어 음극단자 또는 양극단자로 작용하게 된다.
상기 절연케이스(270)는 양극탭용 홈(272), 음극탭용 홀(274) 및 안전밴트용 홀(276)을 포함하여 형성된다. 상기 절연케이스(270)는 캡조립체(230)와 전극조립체(220) 사이에 위치하여 캡조립체(230)와 전극조립체(220) 사이의 쇼트를 방지하 게 되며 폴리프로필렌(PP) 재질로 형성될 수 있다. 다만, 여기서 상기 절연케이스(270)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 양극탭용 홈(272)은 절연케이스(270)의 가로변의 소정 위치에 형성되며 전극조립체(220)에 부착된 양극탭(226)이 캡플레이트(240)의 하면에 용접되기 위해 절연케이스(270)를 통과하는 부분이다. 상기 음극탭용 홀(274)는 절연케이스(270)의 바닥 소정 위치에 형성되며 전극조립체(220)에 부착된 음극탭(227)이 터미널플레이트(260)의 하면에 용접되기 위해 절연케이스(270)를 통과하는 부분이다. 상기 안전밴트용 홀(276)은 캡플레이트(240)의 전해액주입구(242)와 대응되는 위치에 형성되며, 전해액주입구(242)로 주입된 전해액이 전극조립체(220) 방향으로 원활하게 주입될 수 있는 통로 역할 뿐만 아니라, 전극조립체(220) 내부에 발생한 가스가 전해액주입구(242) 상부에 형성된 안전밴트용 플레이트(244)로 신속히 이동할 수 있는 통로 역할도 하게 된다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡플레이트와 안전밴트용 플레이트가 용접되기 전의 평면도를 나타내며, 도 3b는 도 3a의 C-C 수직 단면도를 나타낸다. 상기 도 3b의 실시예는 안전밴트용 플레이트의 가장 자리 부분의 두께가 타 부분에 비해 얇게 형성된다는 점 이외에는 상기 도 2c의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지는 전극조립체, 캔, 캡조립체 및 절연케이스를 포함하여 형성된다. 상기 전극조립체와 캔 및 절연케이스는 상기 도 2c의 실시예에서 충분히 설명하였으므로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 캡조립체는 전극단자, 캡플레이트(340), 절연플레이트, 터미널 플레이트를 포함하여 형성된다. 마찬가지로, 상기 전극단자, 절연플레이트 및 터미널플레이트는 상기 도 2c의 실시예에서 충분히 설명하였으므로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 캡플레이트(340)는, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 단자통공1(341)과 전해액주입구(342) 및 안전밴트용 플레이트(344)를 포함하여 형성된다. 상기 안전밴트용 플레이트(344)는 가장 자리 부분의 두께가 다른 부분에 비해 얇게 형성된다. 따라서, 상기 안전밴트용 플레이트(344)는 수직단면 형상이 철(凸) 형상으로 형성된다. 또한, 상기 안전밴트용 플레이트(344)는 평면 형상이 직경이 서로 다른 두개의 동심원 형상으로 형성된다. 이 때, 상기 안전밴트용 플레이트(344)는 평면 형상이 대각선이 서로 겹치는 두 개의 사각형상으로 형성되거나, 중심이 같은 두 개의 타원 형상으로 형성될 수도 있음은 물론이다. 여기서, 상기 안전밴트용 플레이트(344)의 평면 형상을 한정하는 것은 아니다. 상기 안전밴트용 플레이트(344) 중 두께가 얇은 가장자리 부분은 레이저 용접시 용접되는 부위에 해당한다. 상기 안전밴트용 플레이트(344)는 레이저 용접이 이루어지는 가장자리 부분이 타측에 비해 얇게 형성되어 있으므로, 안전밴트가 신속하게 동작할 수 있도록 한다. 또한, 레이저 용접이 이루어지지 않는 타 부분은 상대적으로 두껍게 형성되어 있으므로, 외부 충격에 잘 견딜 수 있게 된다. 상기 안전밴트용 플레이트(344)가 용접된 후 용접심도는 전체 캡플레이트(340) 두께의 10 내지 25%가 되도록 형성되는 것이 바람직하 며, 용접심도의 두께는 100 내지 200㎛가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전해액주입구(342)는 가장 좁은 부분이 2 내지 5mm의 직경으로 형성되는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 2d는 도 2b의 캡플레이트와 안전밴트용 플레이트가 용접된 후의 평면도를 나타내며, 도 2e는 도 2d의 B-B 수직 단면도를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는 캔(210)에 전극조립체(220)를 삽입하는 단계, 상기 캔(210)의 상단개구부(210a)를 캡조립체(230)로 밀봉하는 단계, 상기 캡조립체(230)에 형성된 전해액주입구(242)를 통하여 전해액을 주입하는 단계, 상기 전해액주입구(242) 상부에 안전밴트용 플레이트(244)를 준비하는 단계 및 상기 안전밴트용 플레이트(244)의 가장자리를 따라 레이저용접이 이루어지는 단계를 포함하여 이루어진다. 이하에서는 안전밴트용 플레이트(244)의 가장자리를 따라 레이저 용접이 이루어지는 단계를 중심으로 설명한다.
상기 레이저 용접은 이웃하는 용접 부위와 용접 영역이 서로 겹치도록 이루어지는 심(seam) 용접과 용접영역이 겹치지 않도록 일정 간격 이격시켜서 이루어지는 스팟(spot) 용접이 있다. 상기 레이저 용접은 용접된 부분의 주변부에 용접에 의해 용융되어 주변부로 밀려올라간 부분이 존재하게 된다. 이러한 부분들은 안전밴트용 플레이트(244)의 표면을 매끄럽지 못하게 할 뿐만 아니라, 각 부위에 따라 용접깊이가 다르게 이루어지므로 위치에 따라 용접강도에 차이가 발생하게 된다. 따라서, 상기 안전밴트용 플레이트(244)는 심 용접에 의해 용접되는 것이 바람직하다. 상기 안전밴트용 플레이트(244)는, 도 2d를 참조하면, 용접 부위(W)가 연속하도록 가장자리 부분이 레이저 용접으로 용접된다. 이 때, 용접심도는 캡플레이트(240) 전체 두께의 10 내지 25%가 되도록 용접한다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 작용에 대하여 설명한다. 이하의 설명에서는 도 2b의 실시예에 따른 캡플레이트가 적용된 경우에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지는, 도 2a를 참조하면, 전극조립체(220), 캔(210) 및 캡조립체(230)를 포함하여 형성된다. 전지 내부의 온도가 고온이 되거나 과충전 등의 상황이 되면 전극조립체(220) 쪽에서 다량의 가스가 발생하게 된다. 상기 가스는 절연케이스(270)에 형성된 안전밴트용 홀(276)을 통과하여 캡플레이트(240)에 형성된 전해액주입구(242)에 도달하게 된다. 상기 전해액주입구(242)의 상부에는 안전밴트용 플레이트(244)가 레이저 용접에 의해 부착되어 있다. 따라서, 상기 가스들이 안전밴트용 플레이트(244)의 하면에 계속하여 압력을 가하게 되면 특정 압력에서 레이저 용접 부분이 파손되어 전해액주입구(242)가 개방되게 된다. 따라서, 전지 내부에 발생한 가스는 외부로 방출되고 전지의 폭발이 방지된다. 한편, 상기 전해액주입구(242)는 일반적인 리튬 이차전지의 전해액주입구에 비해 직경이 크게 형성되므로, 전해액의 주입시 원활한 주입이 이루어지도록 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 의하면, 캡 플레이트의 일측을 압착하여 안전밴트를 형성하는 대신, 전해액주입구를 보다 크게 형성하고 레이저 용접을 이용하여 별도의 플레이트로 전해액주입구를 밀봉함으로써 안전밴트 역할을 수행할 수 있도록 하여, 안전밴트 형성시 별도의 압착 공정이 필요없을 뿐만 아니라 전해액주입구를 밀봉하기 위한 볼 압입공정이 필요없으며, 또한 전해액주입구가 넓어져 전해액의 주입이 보다 원활하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 전극조립체와,
    상기 전극조립체를 수용하는 캔과,
    전해액주입구가 형성된 캡플레이트를 구비하며, 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체와,
    상기 전극조립체와 상기 캡조립체 사이에 위치하는 절연케이스를 포함하여 이루어지는 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 전해액주입구는 안전밴트용 플레이트로 밀봉되며,
    상기 안전밴트용 플레이트는 가장자리 부분의 두께가 다른 부분에 비해 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 밀봉은 용접 방식에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 용접 방식은 레이저 용접인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 용접은 상기 안전밴트용 플레이트의 가장자리를 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 안전밴트용 플레이트는 40 내지 80㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 캡플레이트는 상기 레이저 용접이 이루어진 부분의 용접심도가 전체 두께의 10 내지 25%가 되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 캡플레이트는 상기 레이저 용접이 이루어진 부분의 용접심도가 100 내지 200㎛가 되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전해액주입구는 가장 좁은 부분이 2 내지 5㎜의 직경으로 형성되는 것 을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 안전밴트용 플레이트는 평면 형상이 사각형상, 원형상, 타원형상 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 절연케이스는 상기 전해액주입구와 대응되는 위치에 안전밴트용 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  12. 캔에 전극조립체를 삽입하는 단계;
    상기 캔의 상단개구부를 캡조립체로 밀봉하는 단계;
    상기 캡조립체에 형성된 전해액주입구를 통하여 전해액을 주입하는 단계;
    상기 전해액주입구 상부에 가장자리 부분의 두께가 다른 부분에 비해 얇게 형성된 안전밴트용 플레이트를 준비하는 단계; 및
    상기 안전밴트용 플레이트의 가장자리를 따라 레이저 용접이 이루어지는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.
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