KR101223568B1 - 이차 전지 및 전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 개구가 형성되어 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스의 상기 개구를 덮는 캡 플레이트 및 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되고 상기 캡 플레이트를 통해 상기 케이스의 외측으로 돌출된 전극 단자를 포함한다. 상기 전극 단자는 전극 조립체와 연결되는 하부 단자판, 상기 하부 단자판의 상부를 덮는 상부 단자판 및 상기 하부 단자판과 상기 상부 단자판 사이의 공간에 수용되고 상기 상부 단자판의 상면에서 돌출된 단자 체결부재를 포함한다.
Description
본 발명은 이차 전지 및 전지 모듈에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 일차 전지와 달리 충전 및 방전이 가능하도록 설계된 전지로서, 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두는 충전 과정과 화학 에너지를 전기 에너지의 형태로 바꾸어 사용하는 방전 과정을 반복할 수 있다.
이차 전지의 대표적인 예로는 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등이 있다.
일반적으로, 이차 전지는 양극, 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체와 전기적으로 연결되어 외부와의 전기 통로 역할을 하는 전극 단자를 포함한다. 이러한 이차 전지를 복수로 연결하여 대용량의 전지 모듈을 구성함으로써 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등과 같이 대전력을 필요로 하는 기기에 사용할 수 있다. 이와 같이, 이차 전지를 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용하는 경우에는, 전기 전도도와 전기 화학적 부식 문제를 고려하여 알루미늄 및 구리 등을 사용하여 전극 단자를 형성하는 것이 일반적이다. 게다가, 이러한 문제를 고려하여 전극 단자의 크기 역시 일정 크기로 한정된다.
한편, 이차 전지를 전지 모듈로 구성하기 위하여 버스 바(bus bar)를 이용해 인접한 이차 전지의 전극 단자들을 연결하는데, 전극 단자를 알루미늄 및 구리로 형성하는 경우에는 전극 단자의 낮은 강도로 인하여 버스 바와 전극 단자를 체결하는 과정에서 높은 토크(torque)로 체결할 수 없게 된다.
이로 인하여, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차와 같이 진동 및 충격이 많은 환경에서 이차 전지를 전지 모듈로 구성하여 사용하는 경우, 낮은 토크로 체결된 버스 바와 전극 단자 사이의 연결이 해제되는 등 전지 모듈의 구조적 안정성이 문제될 수 있다.
본 발명은 상술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전지 모듈을 구성할 때 전극 단자와 버스 바 사이의 체결력을 증가시킬 수 있도록 전극 단자 구조를 개선한 이차 전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 케이스, 상기 케이스에 수납되는 전극 조립체, 상기 케이스의 개구를 덮는 캡 플레이트 및 전극 단자를 포함한다. 상기 전극 단자는 상기 캡 플레이트 상에 위치하고, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 제1 단자판, 상기 제1 단자판을 통해 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되고, 관통 홀을 갖는 제2 단자판 및 상기 제1 단자판과 상기 제2 단자판 사이에 위치하고, 상기 제2 단자판의 관통 홀을 통해 돌출되는 체결부를 포함하는 단자 체결부재를 포함한다.
상기 단자 체결부재는 상기 제1 단자판 및 상기 제2 단자판을 이루는 제2 물질과 상이한 제1 물질로 이루어질 수 있고, 상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 큰 강도를 가질 수 있다.
상기 제1 물질은 스테인리스 스틸을 포함할 수 있고, 상기 제2 물질은 알루미늄 또는 구리를 포함할 수 있다.
상기 단자 체결부재는 상기 제1 단자판 및 상기 제2 단자판을 이루는 제2 물질과 상이한 제1 물질로 이루어질 수 있고, 상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 작은 전기 전도도를 가질 수 있다.
상기 전극 단자는 상기 캡 플레이트의 관통 홀을 통해 상기 케이스의 내측으로부터 상기 케이스의 외측으로 연장되는 단자 연결부재를 더 포함할 수 있고, 상기 단자 연결부재는 상기 제1 단자판을 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결시키고 상기 제1 단자판을 상기 캡 플레이트에 고정시킬 수 있다.
상기 전극 단자는 상기 캡 플레이트와 상기 제1 단자판 사이에 위치하는 연결판을 더 포함할 수 있고, 상기 단자 연결부재는 상기 연결판의 관통 홀 및 상기 제1 단자판의 관통 홀을 통해 돌출될 수 있으며, 상기 연결판은 상기 제1 단자판을 상기 캡 플레이트와 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 이차 전지는 상기 상기 제1 단자판과 상기 캡 플레이트 사이에 위치하여 상기 제1 단자판을 상기 캡 플레이트로부터 전기적으로 절연시키는 개스킷을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 단자판은 베이스판 및 적어도 두 개의 측벽을 포함할 수 있고, 상기 적어도 두 개의 측벽은 상기 베이스판으로부터 돌출되어 상기 적어도 두 개의 측벽 사이에 상기 단자 체결부재를 고정할 수 있다.
상기 베이스판은 홈부를 가질 수 있고, 상기 단자 체결부재는 상기 홈부에 결합하는 돌출부를 가질 수 있다.
상기 적어도 두 개의 측벽은 상기 베이스판의 주위를 따라 형성된 네 개의 측벽을 포함할 수 있다.
상기 제1 단자판의 상기 적어도 두 개의 측벽은 각각 상기 베이스판에서 떨어진 일단부에 홈부를 가질 수 있고, 상기 제2 단자판은 측면에 상기 홈부에 결합하는 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 제2 단자판은 상기 제1 단자판의 상기 적어도 두 개의 측벽에 용접될 수 있다.
상기 단자 체결부재의 상기 체결부에 나사산이 형성될 수 있다.
상기 전극 조립체는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함할 수 있고, 상기 제1 전극은 상기 캡 플레이트와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되고 상기 캡 플레이트와 절연되는 제2 전극 단자를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 각각 케이스, 상기 케이스에 수납되는 전극 조립체, 상기 케이스의 개구를 덮는 캡 플레이트 및 전극 단자를 포함하는 복수의 이차 전지 및 상기 복수의 이차 전지 중 제1 전지의 상기 전극 단자와 상기 복수의 이차 전지 중 제2 전지의 사기 전극 단자를 전기적으로 연결하는 버스 바를 포함한다. 상기 전극 단자는 상기 캡 플레이트 상에 위치하고 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 제1 단자판, 상기 제1 단자판을 통해 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되고 관통 홀을 갖는 제2 단자판 및 상기 제1 단자판과 상기 제2 단자판 사이에 위치하고 상기 제2 단자판의 관통 홀을 통해 돌출되는 체결부를 포함하는 단자 체결부재를 포함한다.
상기 버스 바는 버스 바 체결부재를 통해 상기 제1 전지 및 상기 제2 전지 각각의 상기 제2 단자판에 고정될 수 있다.
상기 체결부에 나사산이 형성될 수 있고, 상기 버스 바 체결부재는 상기 체결부의 상기 나사산에 체결되는 너트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 전극 단자 조립체는 이차 전지의 전극 조립체에 전기적으로 연결하기 위한 제1 단자판, 관통 홀이 형성되고 상기 제1 단자판을 통해 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결하기 위한 제2 단자판 및 상기 제1 단자판과 상기 제2 단자판 사이에 위치하고 상기 제2 단자판의 상기 관통 홀을 통해 돌출되는 체결부를 포함하는 단자 체결부재를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 모듈의 조립 시 버스 바와 전극 단자 사이의 체결력을 높일 수 있어, 외부의 진동 및 충격에 의한 불량을 억제할 수 있다.
또한, 버스 바와 전극 단자 사이의 접촉 면적을 증가시킴으로써 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자의 부분 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 절취한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 절취한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이웃한 이차 전지의 전극 단자가 버스 바에 의해 체결된 상태를 나타낸 부분 확대도이다.
도 7은 본 발명의 변형예에 따른 이웃한 이차 전지의 전극 단자가 버스 바에 의해 체결된 상태를 나타낸 부분 확대도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자의 부분 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자의 부분 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 절취한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 절취한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이웃한 이차 전지의 전극 단자가 버스 바에 의해 체결된 상태를 나타낸 부분 확대도이다.
도 7은 본 발명의 변형예에 따른 이웃한 이차 전지의 전극 단자가 버스 바에 의해 체결된 상태를 나타낸 부분 확대도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자의 부분 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명한다. 하지만, 본 발명은 실시예들에 한정되지 않고 다양한 다른 방법으로 구현될 수 있다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서, 본 발명과 관계없는 부분에 대하여는 그 설명을 생략하고, 본 명세서 및 도면에서 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 붙인다.
한편, 본 명세서에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 두고 "전기적으로 연결"되는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 절취하여 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)를 수용하는 케이스(20) 및 케이스(20)의 개구를 덮는 캡 어셈블리(30)를 포함한다.
전극 조립체(10)는 양극(11), 음극(12) 및 양극(11)과 음극(12) 사이에 개재되는 절연체인 세퍼레이터(13)를 포함하고, 이들을 권취함으로써 젤리-롤(jelly-roll) 형상으로 형성된다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 전극 조립체는 시트(sheet)로 이루어진 양극, 세퍼레이터 및 음극을 복수로 적층하는 스택 구조로 형성될 수도 있다.
양극(11) 및 음극(12)은 집전체로 기능하는 박판에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와, 활물질이 도포되지 않은 영역인 무지부(11a, 12a)를 포함한다. 양극(11)의 무지부(11a)는 양극(11)의 길이 방향(y축 방향)을 따라 양극(11)의 한 쪽 끝에 형성되고, 음극(12)의 무지부(12a)는 음극(12)의 길이 방향(y축 방향)을 따라 음극(12)의 다른 쪽 끝에 형성된다.
케이스(20)는 그 내부에 전극 조립체(10)를 수용하는 내부 공간이 형성되도록 가운데가 비어있는 대략 직육면체로 이루어지고, 케이스(20)의 일측에는 개구가 형성된다.
캡 조립체(30)는 얇은 판으로 이루어져 케이스(20)의 일측에 형성된 개구를 덮는 캡 플레이트(35)를 포함한다. 캡 플레이트(35)에는 케이스(20)의 내부 공간으로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(31a) 및 케이스(20) 내부에서 발생한 가스를 배출하기 위한 벤트 홀(32a)이 형성된다. 밀봉 마개(31)는 전해액 주입구(31a)를 밀봉하도록 설치된다. 그리고 벤트 플레이트(32)는 벤트 홀(32a)에 설치되어, 이차 전지(100) 내부에 과도한 압력 및/또는 온도 상승이 발생할 때 가스를 배출하기 위해 개방된다. 일례로 벤트 플레이트(32)에는 이차 전지(100)의 내부 압력이 설정된 압력이 이를 때 개방되는 노치가 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 캡 조립체(30)는 이차 전지(100)의 내압 상승에 따른 폭발 및 발화를 방지하기 위한 가변 플레이트(33) 및 단락 탭(34)을 포함할 수 있다.
전극 단자(60, 70)는 캡 플레이트(35)를 관통하고 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되어 전극 조립체(10)와 전지 외부 사이의 전기 통로를 형성한다. 본 실시예에서, 양극 단자(60)는 상부 단자판(제2 단자판)(62), 하부 단자판(제1 단자판)(63), 양극 단자 연결부재(65) 및 양극 단자 체결부재(61)를 포함하고, 음극 단자(70)는 상부 단자판(72), 하부 단자판(73), 음극 단자 연결부재(75) 및 음극 단자 체결부재(71)를 포함한다.
전극 조립체(10)의 양극 무지부(11a) 및 음극 무지부(12a)는 각각 양극 리드 탭(41) 및 음극 리드 탭(42)과 연결되고, 양극 리드 탭(41) 및 음극 리드 탭(42)은 각각 양극 단자(60) 및 음극 단자(70)와 연결된다. 양극 단자 연결부재(65)는 캡 플레이트(35)를 관통하여 설치되어, 양극 리드 탭(41)과 양극 단자(60)의 하부 단자판(63) 사이를 연결한다. 그리고 음극 단자 연결부재(75)는 캡 플레이트(35)를 관통하여 설치되어, 음극 리드 탭(42)과 음극 단자(70)의 하부 단자판(73) 사이를 연결한다. 양극 단자(60)의 하부 단자판(63)은 양극 단자(60)의 상부 단자판(62)에 연결된다. 또한 음극 단자(70)의 하부 단자판(73)은 음극 단자(70)의 상부 단자판(72)에 연결된다. 이러한 전극 단자(60, 70)의 구체적인 구성은 후술하기로 한다.
한편, 전극 조립체(10)와 연결된 리드 탭(41, 42) 및 단자 연결부재(65, 75)를 케이스(20) 및 캡 플레이트(35)와 절연시키기 위하여 하부 절연 부재(51, 52)가 구비된다. 하부 절연 부재(51, 52)는 각각 양극 리드 탭(41) 및 음극 리드 탭(42)과 캡 플레이트(35) 사이에 배치되고, 양극 리드 탭(41) 및 음극 리드 탭(42)의 주위와 접촉하거나 일부를 감싸도록 형성된다. 또한, 하부 절연 부재(51, 52)는 캡 플레이트(35)의 하부에 형성된 양극 단자 연결부재(65) 및 음극 단자 연결부재(75)의 주위와 접촉하거나 일부를 감싸도록 형성된다. 이러한 구성에 의하여 리드 탭(41, 42) 및 단자 연결부재(65, 75)가 지지될 수 있고 이들의 연결이 견고해질 수 있다. 게다가, 리드 탭(41, 42) 및 단자 연결부재(65, 75)가 케이스(20) 및 캡 플레이트(35)로부터 절연될 수 있다.
개스킷(53, 54)은 캡 플레이트(35)와 이를 관통하는 양극 단자 연결부재(65) 및 음극 단자 연결부재(75) 사이에 설치되어, 양극 단자 연결부재(65) 및 음극 단자 연결부재(75)와 캡 플레이트(35) 사이를 밀봉한다. 또한, 개스킷(53, 54)은 절연 물질로 형성되어, 양극 단자 연결부재(65) 및 음극 단자 연결부재(75)와 캡 플레이트(35)를 전기적으로 절연시키는 역할도 한다.
양극 단자(60) 측에는 하부 단자판(63)과 캡 플레이트(35) 사이에 연결판(64)이 설치된다. 연결판(64)에는 관통 홀이 형성되어 양극 단자 연결부재(65)가 관통 홀을 통해 연장되어 하부 단자판(63)에 연결되는데, 양극 단자 연결부재(65)의 상부는 리벳(rivet) 형상을 가져 하부 단자판(63)에 리벳 접합될 수 있도록 한다. 본 실시예에서는 양극 단자 연결부재(65)와 하부 단자판(63)이 리벳 접합되는 경우를 설명하고 있지만, 다른 적합한 연결 방법에 의하여 연결될 수도 있다. 연결판(64)은 알루미늄, 구리 등과 같이 전기 전도도가 우수한 물질로 이루어진다. 연결판(64)은 캡 플레이트(35)에 밀착되어 양극 단자(60)와 캡 플레이트(35) 사이를 전기적으로 연결한다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 캡 조립체(30)는 가변 플레이트(33) 및 단락 탭(34)을 포함할 수 있다. 가변 플레이트(33)는 캡 플레이트(35)에 형성된 단락 홀(33a)에 설치되어 양극 단자(60)와 전기적으로 연결된 캡 플레이트(35)와 전기적으로 연결되고, 단락 탭(34)은 단락 홀(33a)을 덮도록 형성되고 음극 단자(70)와 전기적으로 연결된다. 한편, 단락 탭(34)과 캡 플레이트(35) 사이에는 이들 사이를 절연시키기 위하여 상부 절연 부재(55)가 설치될 수 있다.
가변 플레이트(33)는 전지의 정상 작동 시 케이스(20)의 내부 공간을 향해 만곡하여 형성되고, 과충전 시 이차 전지(100)의 내부 압력이 상승하여 설정된 압력에 도달하게 되면 케이스(20)의 내부 공간으로부터 바깥쪽으로 만곡한 형태로 변형되어 단락 탭(34)에 접촉한다. 따라서, 내부 압력이 상승하여 설정된 압력에 도달할 때 가변 플레이트(33)와 단락 탭(34)이 연결되어 단락이 발생하여 과충전을 해소함으로써, 내부 압력의 상승에 따른 이차 전지(100)의 폭발 빛 발화를 방지할 수 있다. 한편, 가변 플레이트(33)는 단락 시 발생한 열에 의하여도 단락 상태를 유지할 수 있도록 충분한 두께를 갖고 형성된다.
이하에서는, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자의 구조를 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자의 분해 사시도이고, 도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 절취하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자를 도시한 단면도이며, 도 5는 도 1의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 절취하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자를 도시한 단면도이다. 도 3 내지 도 5에서는 본 실시예에 따른 양극 단자(60)만을 도시하였는데, 음극 단자(70)는 양극 단자(60)와 유사한 구조를 가지므로, 이하에서는 양극 단자(60)를 중심으로 설명하고 음극 단자(70)과 관련해서는 양극 단자(60)와의 차이점만 간략히 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)의 양극 단자(60)는 상부 단자판(제2 단자판)(62), 하부 단자판(제1 단자판)(63), 양극 단자 연결부재(65) 및 양극 단자 체결부재(61)를 포함한다.
전술한 바와 같이, 양극 단자 연결부재(65)는 캡 플레이트(35) 및 연결판(64)에 각각 형성된 관통 홀을 관통해 캡 어셈블리(30)의 외측으로 연장된다. 그리고 양극 단자 연결부재(65)는 리벳 형상을 갖고 하부 단자판(63)과 연결된다. 하부 단자판(63)은 양측에 형성된 한 쌍의 측벽(63b)을 포함하고, 이들 측벽(63b) 사이에 형성된 공간에 양극 단자 체결부재(61)가 수용된다. 상부 단자판(62)은 하부 단자판(63)과 연결되어 양극 단자 체결부재(61)가 상부 단자판(62)과 하부 단자판(63) 사이에 배치됨으로써 움직이지 않도록 고정된다.
양극 단자(60)의 하부 단자판(63)은 양극 단자 연결부재(65)가 삽입되는 관통 홀이 형성된 베이스 판(63a) 및 캡 플레이트(35)의 폭 방향(x축 방향)을 따라 관통 홀에 대칭되어 서로 마주보도록 형성된 한 쌍의 측벽(63b)을 포함한다. 양극 단자 연결부재(65)의 일 부분은 베이스 판(63a)의 관통 홀에 삽입된다. 베이스 판(63a)은 양극 단자 연결부재(65)와 리벳 접합되어 연결판(64)을 베이스 판(63a)에 연결하고, 한 쌍의 측벽(63b)은 그 사이에 공간을 형성하여 양극 단자 체결부재(61)가 수용될 수 있도록 한다.
측벽(63b)이 형성되지 않은 베이스 판(63a)의 양측에는 제1 홈부가 형성되어 양극 단자 체결부재(61)에 형성된 돌기가 제1 홈부에 삽입될 수 있다. 또한, 측벽(63b)의 상단에는 제2 홈부가 형성되어 상부 단자판(62)의 가장자리부가 제2 홈부에 삽입될 수 있다. 이와 같이 하부 단자판(63)에 양극 단자 체결부재(61) 및 상부 단자판(62)과 결합되는 홈부를 형성함으로써 이들을 용이하게 조립할 수 있고, 조립 후 양극 단자 체결부재(61) 및 상부 단자판(62)의 회전 및 이동을 억제할 수 있다.
한편, 베이스 판(63a) 및 측벽(63b)에 형성된 홈부의 위치 및 크기 등은 도시된 예에 한정되지 않고, 이에 대한 다양한 변경이 가능하다.
한편, 음극 단자(70)의 하부 단자판(제2 단자판)(73)의 경우 양극 단자(60)의 하부 단자판(63)과 유사한 구조를 갖는다. 다만, 하부 단자판(73) 및 캡 플레이트(35) 사이에 연결판(64)이 아닌 단락 탭(34) 및 상부 절연 부재(55)가 설치된다. 또한, 전술한 바와 같이, 이들에 각각 관통 홀이 형성되어 음극 단자 연결부재(75)와 하부 단자판(73)이 리벳 접합되거나 다른 연결 방법으로 연결된다.
양극 단자 체결부재(61)는 하부 단자판(63)에 수용되는 삽입부(61b)와 삽입부(61b)의 일측에서 돌출되어 형성된 체결부(61a)를 포함한다. 삽입부(61b)는 하부 단자판(63)의 한 쌍의 측벽(63b) 사이의 거리와 대략 동일한 폭을 갖는다. 또한, 삽입부(61b)는 하부 단자판(63)의 베이스 판(63a)의 제1 홈부와 대응되도록 형성된 돌기를 포함한다. 도 4를 참조하면, 삽입부(61b)에 형성된 돌기는 하부 단자판(63)의 베이스 판(63a)에 형성된 제1 홈부에 삽입되어, 양극 단자 체결부재(61)의 측 방향으로의 이동 및 회전, 즉 x축 및 y축 방향으로의 이동 및 회전을 억제한다.
체결부(61a)는 하부 단자판(63)과 접하는 반대쪽으로 연장되어 형성되고, 체결부(61a)에는 나사산이 형성된다. 복수의 이차 전지(100)를 전지 모듈로 구성할 때 이웃하는 이차 전지 사이를 버스 바로 연결할 수 있는데, 버스 바를 버스 바 체결부재로 체결, 고정함으로써 이웃하는 이차 전지의 전극 단자(60, 70) 사이를 안정적으로 연결시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5에서, 상부 단자판(62)은 평평한 판이거나 적어도 상부 단자판(62)의 상면은 평평하게 형성된다. 양극 단자 체결부재(61)의 체결부(61a)가 상부 단자판(62)의 외측으로 연장될 수 있도록 상부 단자판(62)에는 관통 홀이 형성된다. 상부 단자판(62)은 서로 반대 방향(x축의 양 방향)으로 돌출된 돌출부, 즉 가장자리부를 갖고, 이는 하부 단자판(63)의 각 측벽(63b)의 상단에 형성된 제2 홈부에 대응된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상부 단자판(62)은 양극 단자 체결부재(61)의 삽입부(61b)를 덮고, 상부 단자판(62)의 양측에 형성된 돌출부, 즉 가장자리부라 하부 단자판(63)의 각 측벽(63b)에 형성된 제2 홈부에 레이저 등을 이용하여 용접된다.
이와 같이, 상부 단자판(62) 및 하부 단자판(63)는 그 접촉부를 용접하여 연결함으로써 상부 단자판(62)의 x축 및 y축 방향으로의 이동 및 회전을 억제할 수 있다. 이에 따라, 하부 단자판(63)과 상부 단자판(62)이 전기적으로 연결됨과 동시에 하부 단자판(63)에 수용된 양극 단자 체결부재(61)를 안정적으로 고정시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에서 상부 단자판(62) 및 하부 단자판(63)은 알루미늄 및 구리와 같은 전기 전도도가 높은 재질로 이루어질 수 있고, 양극 단자 체결부재(61)는 스테인리스 스틸(stainless steel)과 같은 강도가 우수한 재질로 이루어질 수 있다.
스테인리스 스틸은 알루미늄 또는 구리에 비하여 낮은 전기 전도도를 가지므로, 전극 조립체(10), 리드 탭(41, 42) 및 양극 단자 연결부재(65)를 흐르는 전류는 대체로 양극 단자 체결부재(61)를 통해 흐르지 않고, 주로 하부 단자판(63)을 거쳐 상부 단자판(62)으로 전달된다.
스테인리스 스틸은 알루미늄 또는 구리에 비해 상대적으로 높은 강도를 가지므로, 스테인리스 스틸로 형성된 양극 단자 체결부재(61)에 너트 등의 버스 바 체결부재를 이용하여 버스 바를 연결할 때 상대적으로 높은 토크를 인가하더라도 체결부의 변형 및 파손이 발생하는 위험이 감소한다.
한편, 상대적으로 강도가 우수하고 전기 전도도가 낮은 스테인리스 스틸 등의 물질로 이루어진 양극 단자 체결부재(61)는 알루미늄 또는 구리 등으로 이루어진 하부 단자판(63), 연결판(64), 단락 탭(34) 또는 캡 플레이트(35)에 용접 등을 통해 직접 연결하는 것이 용이하지 않다. 하지만, 전술한 바와 같이, 본 실시예에서는 양극 단자(60)가 상부 단자판(62) 및 하부 단자판(63)을 포함하고 이들을 용접하여 견고하게 연결함으로써, 이들이 형성하는 공간에 양극 단자 체결부재(61)를 고정시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이웃한 이차 전지의 전극 단자가 버스 바에 의해 체결된 상태를 나타낸 부분 확대도이다.
도 6을 참조하면, 이차 전지를 일렬로 배열하여 전지 모듈을 형성할 때 이웃하는 이차 전지의 전극 단자(60, 70)를 연결하는 데 있어서, 버스 바(80)를 이용한다. 본 실시예에서는 버스 바(80)를 통해 이웃하는 두 개의 이차 전지의 전극 단자(60, 70)가 연결되는 경우를 예시하여 설명한다.
버스 바(80)는 막대 형상으로 형성되고, 전극 단자(60, 70)의 단자 체결부재의 체결부가 삽입되는 한 쌍의 단자 홀이 형성된다. 도 6에 도시한 바와 같이, 막대 형상의 버스 바(80)에 형성된 단자 홀에 각각 이웃하는 이차 전지의 양극 단자(60)와 음극 단자(70)가 삽입한 후 버스 바 체결부재(85)를 통해 이를 체결한다. 본 실시예에 따른 전극 단자(60, 70)의 단자 체결부재의 체결부에는 나사산이 형성되고, 버스 바(80)를 이와 체결시키기 위해 버스 바 체결부재(85)는 내측면에 나사산이 형성된 너트로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 전극 단자(60, 70)의 단자 체결부재는 스테인리스 스틸 등의 강도가 우수한 재질로 형성될 수 있는 바, 이로 인하여 버스 바 체결부재(85)를 단자 체결부재에 체결할 때 인가하는 토크를 크게 할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄으로 단자 체결부재를 형성하는 경우, 버스 바 체결부재의 체결 시 높은 토크를 인가하게 되면 알루미늄의 낮은 강도로 인해 단자 체결부재가 변형되거나 파손될 수 있다. 하지만, 스테인리스 스틸로 단자 체결부재를 형성하는 경우에는 단자 체결부재를 알루미늄과 같은 소프트 재질로 형성하는 경우보다 약 2배 이상의 토크를 인가할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 전극 단자(60, 70)의 단자 체결부재를 스테인리스 스틸 등의 강도가 우수한 재질로 형성함으로써, 버스 바(80)로 이웃하는 이차 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성함에 있어서 버스 바 체결부재(85)에 인가되는 토크를 크게 할 수 있다. 또한, 하부 단자판 및 상부 단자판과 재질이 상이한 단자 체결부재를 고정시킬 수 있고, 하부 단자판과 상부 단자판 사이에 형성되는 전기 통로가 단자 체결부재와 연결될 수 있다. 이에 따라, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 등과 같이 진동 및 충격이 빈번한 환경 속에서 전지 모듈을 사용하는 경우에도 이차 전지 사이의 연결이 해제되는 것을 억제하여 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 전기 통로 역할을 하는 상부 단자판(62)의 상면이 평평하게 형성되어, 전지 모듈 형성 시 버스 바(80)와 전극 단자(60, 70) 사이의 접촉 면적을 보다 넓힐 수 있다. 이에 따라, 버스 바(80)와 전극 단자(60, 70) 사이의 접촉 저항이 감소하게 되어, 전기 에너지의 손실을 저감시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 변형예에 따른 이웃한 네 개의 이차 전지의 전극 단자가 버스 바에 의해 체결된 상태를 나타낸 부분 확대도이다.
도 7을 참조하면, 이차 전지를 일렬로 배열하여 전지 모듈을 형성할 때 하나의 버스 바(80')를 이용하여 4개의 이차 전지를 연결할 수 있다. 즉, 이웃하는 전극 단자가 동일한 극성, 예를 들면 양극 단자(60)를 갖도록 2개의 이차 전지를 배치하고, 이들과 전극 단자의 위치가 어긋나도록 2개의 이차 전지를 이웃하여 배치한 후, 4개의 전극 단자를 하나의 버스 바로 연결한다.
한편, 본 변형예와 유사한 방법으로 하나의 버스 바를 이용하여 4개 이상의 전극 단자를 연결하는 구성도 가능하다. 이와 같은 구성으로 이차 전지를 연결할 때, 직렬 연결과 병렬 연결을 혼합하여 복수의 이차 전지를 연결함으로써 대용량의 전지 모듈을 구성할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다. 다른 실시예를 설명함에 있어서, 제1 실시예와 동일한 구성에 대하여는 이에 대하여 간략히 설명하거나, 이에 대한 설명을 생략한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지의 전극 단자의 부분 분해 사시도이다. 도 8에서는 본 실시예에 따른 양극 단자(160)만을 도시하였는데, 음극 단자는 양극 단자(160)와 유사한 구조를 가질 수 있으므로, 이하에서는 음극 단자에 대한 설명을 생략한다.
본 실시예에서 전극 단자를 제외한 이차 전지(200)의 다른 구성은 제1 실시예와 동일하다. 즉, 본 실시예의 이차 전지(200)는 양극, 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 케이스의 일측에 형성된 개구를 덮는 캡 플레이트를 포함하는 캡 어셈블리를 포함한다. 다만, 본 실시예에서는 전극 단자의 구조가 제1 실시예와 상이하다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 양극 단자(160)는 상부 단자판(제2 단자판)(162), 하부 단자판(제1 단자판)(163), 양극 단자 연결부재(165) 및 양극 단자 체결부재(161)를 포함한다.
양극 단자 연결부재(165)는 각각의 캡 플레이트와 연결판(164)의 관통 홀을 관통해 연장되고, 캡 조립체의 외부로 돌출된다. 양극 단자 연결부재(165)는 리벳 접합 등을 이용하여 하부 단자판(163)에 연결된다. 하부 단자판(163)은 베이스 판(163a) 및 측벽(163b)을 포함하고, 양극 단자 체결부재(161)는 삽입부(161b)를 포함한다. 양극 단자 체결부재(161)의 삽입부(161b)는 측벽(163b)에 의해 둘러싸인 공간에 수용된다.
상부 단자판(162)은 양극 단자 체결부재(161)의 삽입부(161b)를 사이에 두고 하부 단자판(163)과 연결된다. 구체적으로, 하부 단자판(163)의 측벽(163b)에는 홈부가 형성되어 이에 상부 단자판(162)의 가장자리부가 삽입되어 결합되고, 결합 부위를 따라 레이저 용접을 수행하여 상부 단자판(162)과 하부 단자판(163)을 고정시키게 된다. 한편, 양극 단자 체결부재(161)의 체결부(161a)는 하부 단자판(163)과 접하는 반대쪽으로 돌출된다.
이와 같이, 본 실시예에서는 측벽(163b)이 베이스 판(163a)의 둘레를 따라 형성되어 측벽(163b)이 형성하는 내측 공간에 양극 단자 체결부재(161)가 수용되고, 상부 단자판(162)이 하부 단자판(163)과 결합하여 고정된다. 이에 따라, 하부 단자판(163)의 베이스 판(163a)에 별도의 홈부를 설치하지 않고 양극 단자 체결부재(161)를 안정적으로 고정시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(300)는 제1 실시예에 따른 이차 전지(100)와 유사한 구조를 갖는다. 즉, 양극(11), 음극(12) 및 세퍼레이터(13)를 포함하는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)를 수용하는 케이스(20), 케이스(20)의 일측에 형성된 개구를 덮는 캡 플레이트(35)를 포함하는 캡 어셈블리(30) 및 캡 플레이트(35)를 관통하여 연장되는 전극 단자(260, 270)을 포함한다. 또한, 전극 단자(260, 270)는 각각 상부 단자판(제2 단자판)(262, 272), 하부 단자판(제1 단자판)(263, 273), 전극 단자 연결부재(265, 275) 및 전극 단자 체결부재(261, 271)를 포함한다.
한편, 본 실시예의 캡 어셈블리(30)에는 제1 실시예의 가변 플레이트가 형성되지 않는다. 이에 따라, 양극 단자(260)의 하부 단자판(263)의 하부에는 캡 플레이트(35)와 전기적으로 연결되는 연결판이 형성되지 않고, 음극 단자(270)의 하부 단자판(273)의 하부에는 단락 탭 및 상부 절연부재가 형성되지 않는다. 대신, 본 실시예에서는 절연 물질로 이루어지는 개스킷(253, 254)이 각각 상부 개스킷(253a, 254a)과 하부 개스킷(253b, 254b)을 포함하여, 전극 단자 연결부재(265, 275)와 캡 플레이트(35) 사이는 물론, 하부 단자판(263, 273)과 캡 플레이트(35) 사이를 절연시킨다.
이에 따라, 이차 전지의 사용 용도 및 공정에 따라 가변 플레이트를 생략한 간단한 구조로 이웃하는 전극 단자 사이의 체결력을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였지만, 본 발명이 이 실시예에 한정되지는 않는다. 본 발명의 범위는 다음에 기재하는 특허청구범위의 기재에 의하여 결정되는 것으로, 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100, 200, 300: 이차 전지
10: 전극 조립체 11: 양극
12: 음극 13: 세퍼레이터
20: 케이스 30: 캡 조립체
31: 밀봉 마개 32: 벤트 플레이트
33: 가변 플레이트 34: 단락 탭
35: 캡 플레이트 41, 42: 리드 탭
51, 52: 하부 절연 부재 53, 54, 253, 254: 개스킷
55: 상부 절연 부재 60, 70, 160, 260, 270: 전극 단자
61, 71, 161, 261, 271: 단자 체결부재
62, 72, 162, 262, 272: 상부 단자판
63, 73, 163, 263, 273: 하부 단자판
64, 164: 연결판 65, 75, 165, 265, 275: 단자 연결부재
80: 버스 바 85: 버스 바 체결부재
10: 전극 조립체 11: 양극
12: 음극 13: 세퍼레이터
20: 케이스 30: 캡 조립체
31: 밀봉 마개 32: 벤트 플레이트
33: 가변 플레이트 34: 단락 탭
35: 캡 플레이트 41, 42: 리드 탭
51, 52: 하부 절연 부재 53, 54, 253, 254: 개스킷
55: 상부 절연 부재 60, 70, 160, 260, 270: 전극 단자
61, 71, 161, 261, 271: 단자 체결부재
62, 72, 162, 262, 272: 상부 단자판
63, 73, 163, 263, 273: 하부 단자판
64, 164: 연결판 65, 75, 165, 265, 275: 단자 연결부재
80: 버스 바 85: 버스 바 체결부재
Claims (18)
- 케이스;
상기 케이스에 수납되는 전극 조립체;
상기 케이스의 개구를 덮는 캡 플레이트; 및
전극 단자;
를 포함하고,
상기 전극 단자는,
상기 캡 플레이트 상에 위치하고, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 제1 단자판;
상기 제1 단자판을 통해 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되고, 관통 홀을 갖는 제2 단자판; 및
상기 제1 단자판과 상기 제2 단자판 사이에 위치하고, 상기 제2 단자판의 관통 홀을 통해 돌출되는 체결부를 포함하는 단자 체결부재;
를 포함하고,
상기 제1 단자판은 베이스판 및 적어도 두 개의 측벽을 포함하며,
상기 적어도 두 개의 측벽은 상기 베이스판으로부터 돌출되어 상기 적어도 두 개의 측벽 사이에 상기 단자 체결부재를 고정하고,
상기 베이스판은 홈부를 갖고,
상기 단자 체결부재는 상기 제1 단자판에 수용되는 삽입부를 포함하고,
상기 체결부는 상기 삽입부의 일측에서 돌출되어 형성되며,
상기 단자 체결부재의 상기 삽입부는 상기 홈부에 결합하는 돌기를 갖는, 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 단자 체결부재는 상기 제1 단자판 및 상기 제2 단자판을 이루는 제2 물질과 상이한 제1 물질로 이루어지고, 상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 큰 강도를 갖는, 이차 전지. - 제2항에 있어서,
상기 제1 물질은 스테인리스 스틸을 포함하고, 상기 제2 물질은 알루미늄 또는 구리를 포함하는, 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 단자 체결부재는 상기 제1 단자판 및 상기 제2 단자판을 이루는 제2 물질과 상이한 제1 물질로 이루어지고, 상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 작은 전기 전도도를 갖는, 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전극 단자는 상기 캡 플레이트의 관통 홀을 통해 상기 케이스의 내측으로부터 상기 케이스의 외측으로 연장되는 단자 연결부재를 더 포함하고,
상기 단자 연결부재는 상기 제1 단자판을 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결시키고, 상기 제1 단자판을 상기 캡 플레이트에 고정시키는, 이차 전지. - 제5항에 있어서,
상기 전극 단자는 상기 캡 플레이트와 상기 제1 단자판 사이에 위치하는 연결판을 더 포함하고,
상기 단자 연결부재는 상기 연결판의 관통 홀 및 상기 제1 단자판의 관통 홀을 통해 돌출되고,
상기 연결판은 상기 제1 단자판을 상기 캡 플레이트와 전기적으로 연결하는, 이차 전지. - 제5항에 있어서,
상기 제1 단자판과 상기 캡 플레이트 사이에 위치하여 상기 제1 단자판을 상기 캡 플레이트로부터 전기적으로 절연시키는 개스킷을 더 포함하는, 이차 전지. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 측벽은 상기 베이스판의 주위를 따라 형성된 네 개의 측벽을 포함하는, 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 단자판의 상기 적어도 두 개의 측벽은 각각 상기 베이스판에서 떨어진 일단부에 홈부를 갖고, 상기 제2 단자판은 측면에 상기 홈부에 결합하는 돌출부를 포함하는, 이차 전지. - 제11항에 있어서,
상기 제2 단자판은 상기 제1 단자판의 상기 적어도 두 개의 측벽에 용접되는, 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 단자 체결부재의 상기 체결부에 나사산이 형성된, 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전극 조립체는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 캡 플레이트와 전기적으로 연결되고,
상기 제2 전극과 전기적으로 연결되고 상기 캡 플레이트와 절연되는 제2 전극 단자를 더 포함하는 이차 전지. - 각각 케이스, 상기 케이스에 수납되는 전극 조립체, 상기 케이스의 개구를 덮는 캡 플레이트 및 전극 단자를 포함하는 복수의 이차 전지; 및
상기 복수의 이차 전지 중 제1 전지의 상기 전극 단자와 상기 복수의 이차 전지 중 제2 전지의 상기 전극 단자를 전기적으로 연결하는 버스 바;
를 포함하고,
상기 전극 단자는 상기 캡 플레이트 상에 위치하고 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 제1 단자판, 상기 제1 단자판을 통해 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되고 관통 홀을 갖는 제2 단자판 및 상기 제1 단자판과 상기 제2 단자판 사이에 위치하고 상기 제2 단자판의 관통 홀을 통해 돌출되는 체결부를 포함하는 단자 체결부재를 포함하는, 전지 모듈. - 제15항에 있어서,
상기 버스 바는 버스 바 체결부재를 통해 상기 제1 전지 및 상기 제2 전지 각각의 상기 제2 단자판에 고정되는, 전지 모듈. - 제16항에 있어서,
상기 체결부에 나사산이 형성되고,
상기 버스 바 체결부재는 상기 체결부의 상기 나사산에 체결되는 너트를 포함하는, 전지 모듈. - 이차 전지의 전극 조립체에 전기적으로 연결하기 위한 제1 단자판;
관통 홀이 형성되고, 상기 제1 단자판을 통해 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결하기 위한 제2 단자판; 및
상기 제1 단자판과 상기 제2 단자판 사이에 위치하고, 상기 제2 단자판의 상기 관통 홀을 통해 돌출되는 체결부를 포함하는 단자 체결부재;
를 포함하고,
상기 제1 단자판은 베이스판 및 적어도 두 개의 측벽을 포함하며,
상기 적어도 두 개의 측벽은 상기 베이스판으로부터 돌출되어 상기 적어도 두 개의 측벽 사이에 상기 단자 체결부재를 고정하고,
상기 베이스판은 홈부를 갖고,
상기 단자 체결부재는 상기 제1 단자판에 수용되는 삽입부를 포함하고,
상기 체결부는 상기 삽입부의 일측에서 돌출되어 형성되며,
상기 단자 체결부재의 상기 삽입부는 상기 홈부에 결합하는 돌기를 갖는,이차 전지용 전극 단자 조립체.
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