KR101274932B1 - 이차 전지 - Google Patents

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KR101274932B1
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Abstract

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캔의 개방된 상단을 밀봉하는 캡플레이트 및 상기 캡플레이트에 결합되는 리드플레이트를 포함하여 구성되는 이차 전지에 있어서, 상기 캡플레이트에는 상기 리드플레이트 결합용의 내성강화수단이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명의 내성강화수단에 의해 트위스트시 발생되는 전단응력이 크게 되어 이차 전지의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
캡플레이트, 리드플레이트, 내성강화수단, 홈, 볼록부, 오목부

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 종단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡플레이트와 리드플레이트의 일 결합 사시도.
도 3a는 본 발명에 따른 내성강화수단이 형성된 캡플레이트의 일 실시예 부분 종단면도.
도 3b는 본 발명에 따른 내성강화수단이 형성된 캡플레이트의 다른 실시예 부분 종단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10:전극조립체 11:양극판
13:세퍼레이터 15:음극판
17:양극탭 19:음극탭
20:캔 30:절연케이스
31:리드통공 33:전해액 통과공
40:캡조립체 41:전극단자
43:가스켓 45:절연플레이트
47:단자플레이트 50:캡플레이트
51:단자통공 53:전해액 주입구
55:마개 57:안전밴트
60:베어셀 70:리드플레이트
71:모듈접속판 73:셀접속판
80:내성강화수단,오목부 81:볼록부
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내구성이 향상된 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 이차 전지는 일회용 전지와 달리 충전을 하면 반복해서 사용할 수 있는 전지로, 주로 통신용, 정보처리용, 오디오/비디오용 휴대기기의 주 전원으로 사용되고 있다. 최근에 이차 전지에 대한 관심이 집중되고 그 개발화가 급속히 이루어지고 있는 주된 이유는 이차 전지가 초경량, 고에너지밀도, 고출력전압, 낮은 자가방전율, 환경 친화성 및 긴 수명을 가진 전원이기 때문이다.
이차 전지는 전극 활물질에 따라 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬이온(Li-ion)전지 등으로 나뉘며, 특히 리튬이온전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 경우와 고체 폴리머 전해질 혹은 겔 상의 전해질을 사용하는 경우로 나뉠 수 있다. 또한, 전극조립체가 수용되는 용기의 형태에 따라 캔형과 파우치형 등 다양한 종류로 나눠진다.
리튬이온전지는 무게당 에너지 밀도가 일회용 전지에 비해 월등히 높아 초경량 배터리의 구현이 가능하고, 셀당 평균전압은 3.6V로 다른 이차전지인 니카드전지나 니켈수소전지의 평균전압 1.2V보다 3배의 컴팩트효과가 있다. 또한, 리튬이온전지는 자가방전율이 20℃에서 한달에 약 5%미만으로 니카드전지나 니켈수소전지보다 약 1/3수준이고, 카드뮴(Cd)이나 수은(Hg)같은 중금속을 사용하지 않음으로써 환경 친화적이며, 또한, 정상적인 상태에서 1000회 이상의 충방전을 할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 이와 같은 장점을 바탕으로 최근의 정보통신기술의 발전과 더불어 그 개발이 급속히 이루어지고 있다.
종래의 이차 전지는 양극판과 음극판 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 상기 캔의 상단개구부를 캡조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 베어셀을 형성한다. 캔이 상기와 같이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되면 알루미늄의 가벼운 속성으로 전지의 경량화가 이루어질 수 있고, 고전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 유리한 점이 있다.
밀봉된 단위 베어셀은 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자, 서멀 퓨즈(Thermal Fuse) 및 보호회로기판 등의 안전장치 및 기타 전지 부속들과 연결된 상태로 별도의 하드 팩에 수납되거나, 핫 멜트 수지를 이용하여 몰드를 통해 완성된 외관을 형성하게 된다.
상기 보호회로기판에 형성된 양/음극단자들은 별도의 리드플레이트를 통하여 베어셀과 전기적으로 연결된다. 즉, 베어셀에 구비된 캡플레이트와 보호회로기판의 양극단자가 양극 리드플레이트에 의해 연결되고, 베어셀의 음극단자와 보호회로기판의 음극단자가 음극 리드플레이트에 의해 연결된다.
상기 양극 리드플레이트는 일 면이 캡플레이트에 부착되고 타 면이 보호회로기판의 양극단자에 부착된다. 상기 보호회로기판은 베어셀과 전기적으로 연결된 후 핫멜팅 수지에 의해 베어셀에 고정된다.
한편, 상기 캡플레이트와 리드플레이트는 일반적으로 용접에 의해 결합되는데, 용접 전에 상기 캡플레이트 상에 정렬된 리드플레이트는 작은 외력에도 불구하고 손쉽게 흐트러지기 때문에 제조자는 상기 리드플레이트를 재정렬시키는 데에 많은 노력과 비용이 소모되는 문제점이 있다.
또한, 용접시에는 레이저빔 조사에 의해 대전 현상과 전기 충격이 발생되고, 용접부위에 외력이 전달되어 리드플레이트의 뒤틀림 현상이 발생하는 문제점이 있다. 캡플레이트와 리드플레이트의 용접이 제대로 이루어지지 않으면 리드플레이트는 제 기능을 할 수 없기 때문에 완성된 이차 전지에 기계적 강도의 불량이나 전기 접속의 불량이 유발된다.
또한, 용접 후에 상기 핫멜팅 수지 부분이 외부로 부터 뒤틀림이나 충격을 받을 경우 리드플레이트에 그 힘이 전달되는데, 상기 리드플레이트의 일 면은 캡플레이트에 용접 방식으로 부착되어 있기는 하나 내구성이 약하여 외부 충격에 의해 캡플레이트로 부터 탈리될 수 있다. 따라서, 용접 부위가 탈리되면 리드플레이트와 캡플레이트는 접촉에 의해서만 전기적으로 연결될 수 있다. 이렇게 되면 리드플레이트와 캡플레이트 사이의 접촉저항이 증가하여 많은 열이 발생할 수 있고, 또한, 상기 리드플레이트가 캡플레이트로 부터 완전히 분리되면 전기회로가 단선되어 더 이상 이차전지가 사용될 수 없는 문제점이 있다.
상술한 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 본 발명은, 용접시 캡플레이트 상에서 리드플레이트의 위치 틀어짐 현상을 최소화하며, 용접 후 트위스트시 내구성이 향상된 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 외부 충격이나 뒤틀림 힘에 의해 보호회로기판이 베어셀로 부터 이탈되는 것이 방지되는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 캡플레이트 상에 리드플레이트를 용이하게 정렬하여 손쉽게 용접할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지는 캔의 개방된 상단을 밀봉하는 캡플레이트 및 상기 캡플레이트에 결합되는 리드플레이트를 포함하여 구성되는 이차 전지에 있어서, 상기 캡플레이트에는 상기 리드플레이트 결합용의 내성강화수단이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내성강화수단은 상기 캡플레이트 표면에 형성되며 상기 리드플레이트가 안착되는 홈으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 내성강화수단은 적어도 하나 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 내성강화수단은 상기 리드플레이트의 저면 형상과 대응하는 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 내성강화수단은 사각홈으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 내성강화수단은 상기 캡플레이트의 성형시 동시에 형성될 수 있다.
또한, 상기 내성강화수단은 상기 캡플레이트 상부에서 하부로의 프레스 압착에 의해 상기 캡플레이트 상면에 형성되는 오목부와, 상기 오목부의 하부에 위치하는 상기 캡플레이트 하면에 형성되는 볼록부로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 내성강화수단에 안착된 리드플레이트는 상기 캡플레이트와 레이져 용접으로 결합될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 바람직한 실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 베어셀(60)과, 보호회로모듈(미도시)과, 상기 베에셀(60)과 보호회로모듈(미도시)을 전기적으로 연결하는 리드플레이트(70)가 포함되어 구성된다.
상기 베어셀(60)은 전극조립체(10)와, 상기 전극조립체(10)가 수용되는 캔(20)과, 상기 캔(20)의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체(40)가 포함되어 구성된다.
상기 전극조립체(10)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 양극판(11)과, 세퍼레이터(13) 및 음극판(15)이 적층되고 권취되어 젤리 롤(Jelly Roll) 형상으로 이루어진다.
상기 양극판(11)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극탭(17)이 전기적으로 연결되고, 음극판(15)에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극탭(19)이 전기적으로 연결된다. 상기 양극판(11) 및 음극판(15)과, 전극탭(17,19)들은 극성을 달리하여 배치될 수 있으며, 상기 전극탭(17,19)들이 전극조립체(10)로 부터 인출되는 경계부에는 전극탭(17,19)과 두 전극판(11,15) 사이의 단락을 방지하기 위하여 절연테이프가 각각 감겨질 수 있다.
또한, 상기 세퍼레이터(13)는 양극판(11) 및 음극판(15) 보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판 간의 단락을 방지하는데 유리하다.
한편, 상기 전극조립체(10)의 상부에는 전극조립체(10)와 캡조립체(40)와의 전기적 절연과, 상기 전극조립체(10)의 상단부를 커버할 수 있도록 절연케이스(30)가 설치될 수 있는데, 절연케이스(30)는 절연성을 가지는 고분자 수지로 이루어진다. 또한, 절연케이스(30)의 중앙부에는 음극탭(19)이 통과할 수 있도록 리드통공(31)이 형성되고, 측부에는 전해액 통과공(33)이 형성된다.
상기 캔(20)은 대략 직육면체의 형상을 가지며, 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로 형성된다. 캔(20)의 개방된 상단을 통해 전극조립체(10)가 수용되어 캔(20)은 전극조립체(10) 및 전해액의 용기 역할을 하게 된다. 캔(20)은 그 자체가 단자역할을 수행할 수 있다.
상기 캡조립체(40)는 캔(20)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡플레이트(50)가 구비된다. 이때, 상기 캡플레이트(50)의 중앙부에는 단자통공(51)이 형성되고, 상기 단자통공(51)을 관통하는 전극단자(41)와 캡플레이 트(50) 사이에는 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(43)이 설치된다. 또한, 캡플레이트(50) 하면에 절연플레이트(45)가 배치되어 있으며, 절연플레이트(45)의 아랫면에는 단자플레이트(47)가 설치되어 있다. 또한, 전극단자(41)의 저면부는 단자플레이트(47)와 전기적으로 연결되어 있다. 캡플레이트(50) 하면에는 양극판(11)으로 부터 인출된 양극탭(17)이 용접되어 있으며, 전극단자(41)의 하단부에는 음극판(15)으로 부터 인출된 음극탭(19)이 지그재그형상의 절곡부를 가진 상태에서 용접된다. 한편, 상기 캡조립체(40)는 상기 캡플레이트(50) 주변부를 캔(20) 개구부 측벽에 용접하여 캔(20)에 결합된다.
상기 캡플레이트(50)는 일 측에 전해액 주입구(53)가 형성되며, 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입구(53)를 밀폐시키기 위하여 마개(55)가 설치된다. 상기 마개(55)는 알루미늄이나 알루미늄 함유 금속으로 형성된 볼형 모재로 전해액 주입구(53) 위에 놓고 기계적으로 전해액 주입구(53)에 압입된다. 또한, 밀봉을 위해 마개(55)는 전해액 주입구(53) 주변에서 캡플레이트(50)에 용접된다.
또한, 상기 캡플레이트(50)는 타 측에 안전밴트(57)가 형성된다. 상기 안전밴트(57)는 전지 내부의 압력이 소정압력 이상으로 상승하면 파손되어 전지의 발화, 폭발을 방지하는 역할을 한다.
상기 보호회로모듈(미도시)에는 전지 과충전 또는 과방전을 차단하여 전지의 안정성을 도모하는 보호회로가 형성되어 있으며, 양극단자와 음극단자가 형성된다.
상기 양극단자는 양극 리드플레이트(70)를 통해 상기 캡플레이트(50)와 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 음극단자는 음극 리드플레이트(미도시)를 통해 상기 전극단자(41)와 전기적으로 연결된다. 상기 보호회로모듈(미도시)은 상기 베어셀(60)과 연결된 상태로 핫멜팅 수지 등에 의해 상기 베어셀(60)에 고정될 수 있다.
상기 리드플레이트(70)는 ‘L’자 형상으로 보호회로모듈(미도시)과 전기적으로 연결되는 모듈접속판(71)과, 캡플레이트(50)와 전기적으로 연결되는 셀접속판(73)으로 형성된다. 이때, 상기 리드플레이트(70)는 니켈 또는 니켈 합금이나, 니켈이 도금된 스테인레스강 재질로 형성된다.
한편, 상기 베어셀(60)과 보호회로모듈(미도시)을 전기적으로 연결하기 위해 상기 캡플레이트(50)와 리드플레이트(70)가 결합된다.
상기 캡플레이트(50) 상에 상기 리드플레이트(70)의 정렬을 용이하게 하고, 리드플레이트(70)의 위치 틀어짐 현상을 최소화하며, 트위스트 테스트시 이차 전지의 내구성을 향상시키도록 상기 캡플레이트(50)에 상기 리드플레이트(70) 결합용의 내성강화수단(80)이 형성된다.
상기 내성강화수단(80)은 상기 캡플레이트(50) 표면에 형성되며 상기 리드플레이트(70)가 안착되는 홈으로 이루어진다. 구체적으로, 상기 내성강화수단(80)은 상기 캡플레이트(50) 상부 표면에 상기 리드플레이트(70)가 안착되도록 상기 리드플레이트(70)의 저면 형상인 상기 셀접속판(73)의 형상과 대응하는 형상의 홈으로 이루어진다. 이때, 상기 내성강화수단(70)은 상기 캡플레이트(50) 상에 적어도 하나 이상으로 형성되며, 상기 리드플레이트(70)의 셀접속판(73)이 상기 캡플레이트(50)의 내성강화수단(80)에 안착되어 용접에 의해 결합된다.
상기 내성강화수단(80)에 안착된 리드플레이트(70)는 용접시 내성강화수단(80)의 측벽이 스토퍼로 작용하기 때문에 그 위치 틀어짐 현상이 최소화되며, 또한, 용접 후에도 내구성이 향상되어 외력에 의한 트위스트 작용시 상기 리드플레이트(70)가 베어셀(60) 외부로 이탈되는 것이 방지된다.
상기 내성강화수단(80)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 리드플레이트(70)의 셀접속판(73)이 안착되도록 상기 셀접속판(73)의 형상과 동일하게 사각홈으로 이루어지는 것이 바람직하다. 한편, 상기 내성강화수단(80)의 홈 형상은 상기 셀접속판(73)의 형상에 따라 다양하게 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 내성강화수단(80)은 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 캡플레이트(50)의 성형시 오목부(80)가 동시에 형성될 수 있고, 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 캡플레이트(50) 상부에서 하부로의 프레스 압착에 의해 형성될 수 있다. 즉, 상기 캡플레이트(50) 상면에는 상기 리드플레이트(70)가 안착되는 오목부(80), 즉, 상기 내성강화수단(80)이 형성되고, 상기 오목부의 하부에 위치하는 캡플레이트 하면에는 볼록부(81)가 형성될 수 있다.
상기 리드플레이트(70)가 상기 내성강화수단(80)에 삽입되어 상기 리드플레이트(70)의 측면이 상기 내성강화수단(80)의 내측면에 형합된 후 서로 용접되어 견고하게 고정된다. 이때, 상기 리드플레이트(70)와 내성강화수단(80)은 레이저빔 조사에 의해 용접되는 것이 바람직하다.
다음에는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 이차 전지의 작용을 설명한다.
이차 전지의 제 기능을 수행하기 위해 리드플레이트(70)를 베어셀(60)에 구비된 캡플레이트(50)와 보호회로모듈(미도시)에 각각 연결하여 상기 베어셀(60)과 보호회로모듈(미도시)을 전기적으로 연결한다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 리드플레이트(70)는 일정각도 절곡된, 바람직하게는 90° 절곡된 모듈접속판(71)과 셀접속판(73)으로 구성되는데, 상기 모듈접속판(71)을 상기 보호회로모듈(미도시)의 양극단자 또는 음극단자와 전기적으로 연결하고, 상기 셀접속판(73)을 상기 캡플레이트에 형성된 내성강화수단(80)과 전기적으로 연결한다.
상기 내성강화수단(80)은 사각 형상의 상기 셀접속판(73)이 안착되도록 사각홈으로 형성된다. 이때, 상기 셀접속판(73)이 원 형상이나 타원 형상 또는 다각 형상으로 형성되었을 경우, 상기 내성강화수단(80)은 이에 대응하여 원홈이나 타원홈 또는 다각홈으로 형성되어야 함을 물론이다.
상기 내성강화수단(80)은 상기 캡플레이트(50) 상면에 적어도 1개 이상으로 형성되어 상기 리드플레이트(70)가 안착된다. 따라서, 캡플레이트(50) 상에 리드플레이트(70)가 용이하게 정렬되며, 이후, 레이져빔을 조사하여 상기 캡플레이트(50)에 리드플레이트(70)를 결합한다. 한편, 용접부위로 전달된 외력에 의해 발생되는 리드플레이트(70)의 위치 틀어짐 현상은 상기 내성강화수단(80)과 리드플레이트(70)의 형합구조에 의해 최소화되며, 상기 형합구조에 의해 이차 전지의 내구성이 향상된다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예나 도면에 기재된 내용에 그 기술적 사상이 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 내에 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 내성강화수단에 의해 트위스트시 발생되는 전단응력이 크게 되어 이차 전지의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 다른 효과는, 외부 충격이나 뒤틀림 힘에 의해 보호회로기판이 베어셀로부터 이탈되는 것이 방지되는 것이다.
본 발명의 또 다른 효과는, 캡플레이트 상에 리드플레이트를 용이하게 정렬하여 손쉽게 용접할 수 있는 것이다.

Claims (8)

  1. 캔의 개방된 상단을 밀봉하는 캡플레이트 및 상기 캡플레이트에 결합되는 리드플레이트를 포함하여 구성되는 이차 전지에 있어서,
    상기 캡플레이트에는 상기 리드플레이트 결합용의 내성강화수단이 형성되고,상기 내성강화수단은 상기 캡플레이트 상부에서 하부로의 프레스 압착에 의해 상기 캡플레이트 상면에 형성되는 오목부와, 상기 오목부의 하부에 위치하는 상기 캡플레이트 하면에 형성되는 볼록부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 내성강화수단은 상기 캡플레이트 표면에 형성되며 상기 리드플레이트가 안착되는 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 내성강화수단은 적어도 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 내성강화수단은 상기 리드플레이트의 저면 형상과 대응하는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 내성강화수단은 사각홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 내성강화수단은 상기 캡플레이트의 성형시 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 삭제
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 내성강화수단에 안착된 리드플레이트는 상기 캡플레이트와 레이져 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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