KR101305237B1 - 외측에 단차가 형성되어 있는 전지케이스로 구성된이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 소재의 각형 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 탑 캡과 용접되는 케이스 개구부에 케이스 측벽의 다른 부위보다 두께가 두꺼운 단차가 형성되어 있고, 상기 단차는 외측 방향으로 돌출되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 전지의 조립 과정에서 전지케이스와 탑 캡의 용접 시 우수한 용접성을 확보하여, 외부 충격 또는 전지 내부의 비정상적인 작동으로 인해 전지케이스와 탑 캡이 분리되는 현상을 방지할 수 있으므로, 궁극적으로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

외측에 단차가 형성되어 있는 전지케이스로 구성된 이차전지 {Secondary Battery Comprising Battery Case with Outside Step}
본 발명은 금속 소재의 전지케이스에 충방전용 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탑 캡과 용접되는 케이스 개구부에 케이스 측벽의 다른 부위보다 두께가 두꺼운 단차가 형성되어 있고, 상기 단차는 외측 방향으로 돌출되어 있는 구조로 이루어진 이차전지 관한 것이다.
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, 젤리-롤이 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 젤리-롤이 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 폴딩형 전극조립체(젤리-롤)과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 전극조립체로 분류된다. 그 중, 젤리-롤은 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
젤리-롤은 주로 원통형 전지와 각형 전지에 사용되는 바, 도 1에는 젤리-롤을 포함하고 있는 각형 전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 각형 전지케이스의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 각형 전지(50)는 젤리-롤(10)이 각형의 금속 케이스(20)에 내장되어 있고 케이스(20)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 32)가 형성되어 있는 탑 캡(30)이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.
젤리-롤(10)의 음극은 음극 탭(12)을 통해 탑 캡(30) 상의 음극단자(32)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(32)는 절연부재(34)에 의해 탑 캡(30)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 젤리-롤(10)의 또 다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(14)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(30)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.
또한, 전극 탭들(12, 14)을 제외하고 젤리-롤(10)와 탑 캡(30)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(20)와 젤리-롤(10) 사이에 시트형 절연부재(40)를 삽입한 뒤, 탑 캡(30)을 장착하고, 탑 캡(30)과 케이스(20)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합시킨다. 그런 다음, 전해액 주입구(43)를 통해 전해액을 주입한 후 금속 볼(도시하지 않음)을 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 전지가 완성된다.
한편, 이러한 구조의 이차전지의 케이스는 일반적으로 다단계 딥-드로잉 공정에 의해 제작되며, 도 2와 같이 각형 케이스(20) 측벽의 두께가 각각의 면에서 동일하게 성형(A=A')이 된다.
그러나, 최근 전지의 박형 및 경량화에 따라 전지케이스 측벽 두께도 얇게 제작되는 환경에서, 전지케이스와 상부 탑 캡의 용접 시 얇은 측벽 두께로 인해 소망하는 용접 강도와 품질을 얻을 수 없으며, 외부 충격의 인가 또는 전지 내부의 비정상적인 작동으로 인해 내압이 증가한 경우 전지케이스와 탑 캡이 분리되어 안전성이 크게 훼손될 수 있다. 또한, 안정적인 실링을 위하여 전지케이스의 측벽의 두께를 두껍게 제작할 경우, 동일 체적 대비 전지 용량 측면에서 불리하게 작용한다.
따라서, 이러한 문제점을 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 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 전지케이스의 개구부에 외부로 돌출된 단차를 형성시킨 경우, 전지케이스와 탑 캡의 용접 시 우수한 용접성 및 강도를 확보됨으로써, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 금속 소재의 각형 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 탑 캡과 용접되는 케이스 개구부에 케이스 측벽의 다른 부위보다 두께가 두꺼운 단차가 형성되어 있고, 상기 단차는 외측 방향으로 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지는, 전지케이스의 개구부에 돌출형 단차가 형성되어 있으므로, 케이스 측벽의 다른 부위에 비해 개구부의 두께가 상대적으로 두꺼워, 전지의 조립 과정에서 전지케이스와 탑 캡의 용접 시 우수한 용접성을 확보할 수 있고, 그에 따라 외부 충격 또는 전지 내부의 비정상적인 작동으로 인해 전지케이스와 탑 캡이 분리되는 현상을 방지할 수 있으므로, 궁극적으로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 단차는 용접 시 탑 캡과 직접 접하는 케이스 개구부의 단부와 그 인근 부위에서 외측 방향으로 돌출되는 형상으로 형성되어 있다. 즉, 케이스 개구부의 단부로부터 소정의 너비로 돌출형의 단차가 형성되어 있다.
단차의 돌출 폭과 높이는 케이스의 소재, 단차 부위를 제외한 나머지 케이스 측벽의 두께 등에 따라 달라질 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 단차의 돌출 폭은 1 내지 5 mm이고, 단차의 돌출 높이(두께)는 0.3 내지 1.5 mm일 수 있다. 단차의 돌출 폭과 높이가 너무 작으면, 탑 캡과의 우수한 용접성을 얻기 어렵고, 반대로 너무 크면 단차 부위의 지나친 크기로 인해 소정의 디바이스에 수납될 때, 돌출된 단차 부위에 의해 상기 이차전지의 장착이 어려워지거나 또는, 특정한 형태의 수납 공간 등이 필요하게 되므로 바람직하지 않다.
상기 돌출형 단차는, 일반적으로 금속 판재를 딥-드로잉하여 각형 전지케이스를 제조하는 과정에서, 케이스 개구부에 도달하기 직전에 딥-드로잉 공정을 멈춤으로써 용이하게 달성할 수 있다. 따라서, 단차의 돌출 높이는 딥-드로잉 전의 금속 판재 두께에 의해 결정되고, 단차의 돌출 폭은 딥-드로잉 공정을 멈춘 시점에서 개구부로부터의 거리에 의해 결정된다.
전지케이스의 소재는 외부충격에 대한 강성과 내식성을 가지는 금속 소재라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈 도금 연강 등의 금속 소재가 사용될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 전지케이스 외면에는 외부 충격으로부터 전지를 보호하고, 전기적 절연상태를 유지하는 외장 필름이 추가로 부착될 수 있다.
외장 필름은 금속 케이스를 외부 환경으로부터 전기적으로 절연시키는 일종의 절연재로서의 역할과, 이차전지의 제품 정보를 표시하는 라벨로서의 역할을 한다.
이러한 외장 필름은 단차가 형성되지 않은 케이스의 측벽 부위를 감싸면서 부착될 수 있다. 이 경우, 소정의 두께를 가지는 외장 필름은 측벽부로부터 외측으로 돌출된 단차의 높이를 보상할 수 있다.
상기 외장 필름의 소재는 우수한 인장성, 내구성 및 절연성을 가지는 소재라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polydethylene terephthalate; PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polydbuthylene terephthalate; PBT), 폴리에틸렌 나프탈레이트 (polydethylene naphthalate; PEN)등의 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리스티렌 등의 폴리스티렌계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리염화비닐리덴계 수지 등이 사용될 수 있다. 이러한 소재는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 그 중에서 우수한 강도 및 인성을 가진 폴리 PET가 바람직하게 쓰일 수 있다.
이러한 외장 필름은, 바람직하게는, 연신 처리가 행해진 열수축성 필름으로 구성될 수 있다. 상기 열수축성 필름은 일축 연신 또는 이축 연신으로 형성될 수 있으며, 이러한 연신 처리에 의해 필름 기재는 연신 방향으로 배향성 및 큰 열 수축성을 가진다. 따라서 필름이 전지케이스의 둘레에 감겼을 때, 전지의 둘레 방향으로 큰 수축에 의해 높은 밀착성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 열수축성 필름을 소재로 사용한 튜브 형태의 외장 필름을 제조하여, 전지케이스의 둘레를 감싼 후 소정의 열을 가하여 밀착시키는 방법으로 전지케이스에 외장 필름을 부착시킬 수 있다.
상기 전극조립체로는 양극, 음극 및 그 사이에 개재된 분리막이 권취되어 있는 전극조립체, 즉, 젤리-롤형(jelly-roll type) 전극조립체가 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이차전지는 젤리-롤형 전극조립체를 압축하여 각형의 전지케이스에 수납하여 제조되는 각형 전지의 형태로 바람직하게 제조될 수 있다.
경우에 따라서는, 소정 두께를 가진 단차를 전지케이스의 내측 방향으로 돌출되도록 형성하는 방법도 고려할 수는 있으나, 이 경우, 상기와 같은 딥-드로잉 과정을 거친 전지케이스를 특정 방식으로 재차 딥-드로잉하여야 하므로, 제조 공정이 번잡해지고 그에 따라 제조 비용이 상승하는 문제점이 발생한다. 더욱이, 본 발명에서와 같은 돌출형 단차는, 앞서 설명하는 바와 같이, 외장 필름을 부착하였을 때, 두께 증가를 유발하지 않으므로, 동일 규격 대비 큰 용량의 전지를 제조할 수 있다는 장점도 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 전지케이스 외측에 단차가 형성되어 있는 각형 이차전지가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 각형 이차전지의 전지케이스의 수직 단면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 각형 이차전지(100)는 각형의 금속 캔(110)의 내부에 젤리-롤형 전극조립체(도시하지 않음)를 수납한 후 탑 캡(120)을 덮어 경계면을 레이저 용접하여 결합시키고, 탑 캡(120) 상에 형성되어 있는 전해액 주입구(130)를 통해 전해액을 주입한 뒤 밀봉하여 제조된다.
전극조립체 중 하나의 전극(예를 들어, 음극)은 탑 캡(120)의 중앙에 형성되어 있는 돌출단자(140)에 연결되고, 나머지 전극(예를 들어, 양극)은 금속 캔(110) 또는 탑 캡(120) 자체에 연결된다. 돌출단자(140)는 탑 캡(120)에 대해 절연되어 있다.
전지케이스(110)의 개구부(112)에 인접한 측벽(114) 상에는 외측 방향으로 돌출된 단차(116)가 형성되어 있고, 단차(116)의 두께는 측벽(114)의 다른 부위에 비하여 두껍게 형성되어 있다. 따라서, 탑 캡(120)이 용접되는 측벽(114)이 단차(116)로 인해 상대적으로 두꺼우므로, 우수한 용접 강도 및 밀봉성이 확보된다.
구체적으로, 도 2에서의 종래의 각형 케이스 측벽의 두께(A)와 비교하여, 단차(116)가 형성된 도 4의 측벽 두께(B)가 상대적으로 두꺼운 구조(A<B)로서, 탑 캡(120)에 대해 우수한 용접성을 얻는 구조로 이루어져 있다.
도 5에는 도 4의 전지케이스를 제조하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전지케이스(110)는 다이(200) 상에 소정의 두께를 가진 금속 판재(210)를 올려 놓고 펀치(220)로 가압하여 인장시키는 딥-드로잉 공정에 의해 만들어진다.
전지케이스(110)의 측벽 두께는 인장 신도에 따라 결정되며, 소정의 높이에서 펀치(220)의 하향 가압력을 제거하면 돌출형 단차(116)가 용이하게 만들어진다. 결과적으로, 단차(116)의 두께는 금속 판재(210)의 두께에 대응하고, 단차(116)의 폭은 딥-드로잉 공정이 멈춘 위치에서 전지케이스(110)의 개구부로부터의 거리에 의해 결정된다.
도 6에는 도 3의 각형 전지에 외장 필름이 부착되어 있는 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 각형 케이스(110) 외면에는 외부 환경에 대해 전기적 절연상태를 확보하고 제품의 정보를 표시하는 외장 필름(150)이 부착되어 있다. 이러한 외장 필름(150)은 각형 케이스(110)의 단차가 형성되지 않은 측벽 부위를 감싸면서 부착되며, 돌출된 단차(116)의 높이를 보상하는 구조로 이루어져 있다.
열수축성 소재의 외장 필름(150)의 경우, 튜브 형태로 제조되어 각형 전지(100)를 감싼 후 열을 가하여 각형 케이스(110) 표면에 수축되면서 밀착되는 구조로서 부착된다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 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 전지는, 전지케이스의 개구부에 단차를 형성시켜, 측벽의 다른 부위에 비해 개구부의 두께를 두껍게 형성시킴으로써, 전지의 조립 과정에서 전지케이스와 탑 캡의 용접 시 우수한 용접성을 확보하여, 외부 충격 또는 전지 내부의 비정상적인 작동으로 인해 전지케이스와 탑 캡이 분리되는 현상을 방지할 수 있으므로, 궁극적으로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 젤리-롤형 전극조립체를 포함하고 있는 각형 전지의 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 각형 전지의 전지케이스의 수직 단면도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스 외측에 단차가 형성되어 있는 각형 전지의 모식도이다;
도 4는 도 3의 각형 전지의 전지케이스의 수직 단면도이다;
도 5는 도 4의 전지케이스를 제조하는 과정의 모식도이다;
도 6은 도 3의 각형 전지에 외장 필름이 부착되어 있는 구조의 모식도이다;
도 7은 도 6의 각형 전지의 전지케이스의 수직 단면도이다.

Claims (9)

  1. 금속 소재의 각형 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 탑 캡과 용접되는 케이스 개구부에 케이스 측벽의 다른 부위보다 두께가 두꺼운 단차가 형성되어 있고, 상기 단차는 외측 방향으로 돌출되어 있는 구조로 이루어지며,
    상기 단차는, 금속 판재를 다이 상에 올려 놓고 펀치로 가압하여 인장시키는 딥-드로잉으로 각형 전지케이스를 제조할 때, 케이스 개구부에 도달하기 직전에 펀치의 하향 가압력을 제거하여 딥-드로잉 공정을 멈춤으로써 만들어지고,
    상기 단차의 두께는 금속 판재의 두께에 대응하고, 단차의 폭은 딥-드로잉 공정이 멈춘 위치에서 전지케이스의 개구부로부터의 거리에 의해 결정되며,
    상기 전지케이스 외면에는 외부 환경으로부터 전기적 절연상태를 유지하고 제품의 정보를 표시하는 외장 필름이 부착되고,
    상기 외장 필름은 단차가 형성되지 않은 케이스의 측벽 부위를 감싸면서 부착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단차의 돌출 폭은 1 내지 5 mm이고, 단차의 돌출 높이(두께)는 0.3 내지 1.5 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스의 소재는 알루미늄, 스테인리스 스틸, 또는 니켈 도금 연강 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 외장 필름의 소재는 폴리에스테르계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리스티렌계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 또는 폴리염화비닐리덴계 수지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 외장 필름은 열수축성 필름을 소재로 사용한 튜브 형태의 외장 필름으로서, 전지케이스의 둘레를 감싼 후 소정의 열을 가하여 밀착시키는 방법으로 전지케이스에 부착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤형(jelly-roll type) 전극조립체인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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