KR101320581B1 - 이차 전지 - Google Patents

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KR101320581B1
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Abstract

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 체결 가능하도록 구조를 개선한 양극 집전판과 상부 절연체, 및 이를 구비하는 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명은 무지부가 각각 형성된 양극판, 음극판, 및 세퍼레이터를 적층한 후 권취되어 형성된 전극군, 상기 전극군을 수용하고 일단에 개구부를 가지는 캔, 상기 양극판에 형성된 무지부와 연결되어 집전하며, 복수개의 홈을 구비하는 양극 집전판, 상기 양극 집전판의 상기 복수개의 홈에 대응되도록 형성되는 훅, 및 홀더를 구비하는 상부 절연판, 상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡 조립체, 및 상기 캡 조립체와 상기 캔 사이에 구비되는 절연 가스켓을 구비하는 이차 전지인 것을 특징으로 한다.
따라서, 체결을 위한 홀더와 훅을 구비하는 상부 절연판, 및 상기 상부 절연판과 체결하기 위한 홈을 구비하는 양극 집전판 이용하여 한 번 체결이 되면 잘 풀리지 않으며, 누구라도 쉽게 조립, 체결이 가능하다. 또한 상부 절연판의 외측이 무지부와 캔의 단락을 방지할 수 있다.
양극 집전판, 상부 절연판, 이차 전지, 체결, 홀더, 훅

Description

이차 전지{Secondary battery}
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지의 단면도를 나타낸 도면이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 양극 집전판를 나타낸 도면이다.
도3a는 본 발명의 실시 예에 따른 상부 절연판을 나타낸 도면이다.
도3b는 도 3a의 A영역의 단면도를 나타낸 것이다.
도4a는 양극 집전판과 상부 절연판의 체결 전의 평면도를 나타낸 것이다.
도4b는 도4a의 A´영역의 단면도를 나타낸 것이다.
도4c는 양극 집전판과 상부 절연판의 체결 후의 평면도를 나타낸 것이다.
도4d는 도4c의 A˝영역의 단면도를 나타낸 것이다.
<도면부호에 대한 간단한 설명>
10 : 전극군 11 : 양극판
12 : 음극판 13 : 세퍼레이터
11a, 12a : 무지부 20 : 캔
30 : 캡 조립체 31 : 절연 가스켓
32 : 캡 업 33 : 밴트
34 : PTC 35 : 리드
36 : CID 40 : 양극 집전판
41 : 홈 43 : 중앙홀
50 : 음극 집전판 60 : 상부 절연판
61 : 홀더 61a : 결합면
61b : 고정면 63 : 훅
63a : 지지면 63b : 노브(knob)
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 결합이 가능하도록 구조를 개선한 양극 집전판과 상부 절연판, 및 이를 구비함으로써 양극 집전판과 상부 절연판이 체결 후 잘 풀리지 않으며, 무지부와 캔이 닿아 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 이차 전지는 한 번 방전되면 더 이상 사용할 수 없는 일차 전지와 달리 충·방전이 가능하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지로, 소형 및 대용량화가 가능하다는 이점으로 인하여 근래에 그 계발이 급속히 이루어지고, 사용도 급속히 증가하고 있다.
하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 핸드폰, PDP, 노트 북 컴퓨터, 카메라 등의 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 다수개 연결한 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 전극 조립체가 수용되는 용기의 형태에 따라 캔형과 파우치형으로 나누어지며, 캔형은 다시 각형과 원통형으로 나뉠 수 있다. 각형은 용기를 직육면체형으로 얇게 성형하여 이를 사용하는 전자 장치에 따라 융통성을 줄 수 있으며, 원통형은 비교적 대용량의 전자 장치에 많이 사용된다.
종래의 원통형 전지는 띠형상의 양극판과 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 삽입하여 이를 나선형으로 감은 전극군을 원통형의 케이스에 내장 설치하고, 상기 케이스에 외부 단자가 형성된 캡 조립체를 설치하여 이루어진다.
또한, 전극군과 캡 조립체 사이의 쇼트 발생을 막기 위한 평판 형태의 절연판이 전극군 상단부 상에 구비될 수 있다.
그리고, 양극판 및 음극판은 각각 집전체에 활물질을 코팅하여 이루어지며, 상단부분에는 활물질이 코팅되지 않은 무지부가 형성되며, 무지부에는 양극판 및 음극판에서 발생된 전류를 집전하기 위한 도전성 탭이 부착되고, 이 도전성 탭은 캡 조립체의 외부 단자에 연결되어 양극판 및 음극판과 양극단자 및 음극단자를 각각 전기적으로 연결하도록 이루어진다.
그런데, 전극군과 외부 단자를 연결하는 도전성 탭이 하나로 구비될 때에는 전극군의 각 부위로부터 발생된 전압의 인출이 용이하지 않으며, 전극군과 도전성 탭이 용접된 영역과 이로부터 멀어지는 영역의 사이에 전위차가 발생한다. 이러한 전위차는 충방전이 계속됨에 따라 도전성 탭이 용접되는 부위의 열화를 심화시키게 되고 결과적으로는 전지의 출력저하와 수명을 감소시킨다.
이러한 문제를 해결하고자, 고출력 이차 전지의 경우 복수의 도전성 탭을 전극군에 부착하여 사용하는 멀티탭 구조가 제안되었으며, 나아가서 도전성 탭 대신 판상의 플레이트를 도전성 탭으로 사용하는 이차 전지가 개시되어 있으며, 이러한 경우는 거의 원판인 집전판을 전극군의 무지부와 다수의 개소에서 용접하는 방식이 일반적으로 사용된다.
그렇지만, 종래의 구성에서는 전극군의 모든 선판 부분에 용접 가능한 거의 원판상의 양극 집전판을 이용하기 때문에, 충격이나 진동 등에 의하여 케이스 내에서 전극군이 움직이고, 양극 집전판과 음극 단자를 겸한 금속 케이스가 접촉하고 내부 단락을 일으키는 문제가 있었다.
일본공개특허 2000-36319에는 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서, 집전판의 주변부분에 절연링을 구비시키는 것을 특징으로 하는 전지를 개시하고 있으나, 이러한 방법은 집전판을 절연링 사이에 강제로 삽입해야하는 불편함뿐만 아니라, 절연링의 내부가 집전판의 외주보다 작기 때문에 삽입이 쉽지 않다.
또한, 외부힘으로 체결이 이루어지므로 집전판에 의해 절연링 일부에 손상이 발생할 수 있으며, 체결이 되더라도 체결을 위해 외부에 의해서 힘을 받았기 때문에 절연링과 집전판 사이의 체결이 이완되어 쉽게 풀릴 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 이차 전지의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 체결을 위한 홀더(holder)부와 훅(hook)부를 구비하는 상부 절연판, 및 상기 상부 절연판과 체결하기 위한 홈을 구비하는 양극 집전판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 상부 절연판 및 양극 집전판을 구비하여 상부 절연판 및 양극 집전판의 체결을 용이하게 할 수 있으며, 체결 이후에 외부 작용에 의해 체결이 풀리는 것을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명은 무지부가 각각 형성된 양극판과 음극판, 및 세퍼레이터를 적층한 후 권취되어 형성된 전극군, 상기 전극군을 수용하고 일단에 개구부를 가지는 캔, 상기 양극판에 형성된 무지부와 연결되어 집전하기 위한 양극 집전판, 상기 집전판의 가장자리에 구비되는 상부 절연판, 상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체와 상기 캔 사이에 구비되는 절연 가스켓을 구비하는 이차 전지인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 체결 구조를 가지는 양극집전판과 상부 절연체, 및 이를 구비하는 이차 전지를 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명의 일실시 예에 따른 이차 전지의 단면도를 나타낸 것이다.
도1을 참조하면, 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극군(10)과 상기 전극군(10)을 수용하는 원통형 캔(20)과, 상기 원통형 캔(20)과 결합되어 이 원통형 캔(20)을 밀폐하며 상기 전극군(10)과 전기적으로 연결되는 캡 조립체(30)와, 상기 전극군(10)과 상기 캡 조립체(30) 또는 상기 원통형 캔(20)에 전기적으로 연결되어 상기 전극군(10)의 양극판(11) 또는 음극판(12)에서 발생된 전류를 집전하기 위한 양극 및 음극용 집전판(40, 50)을 포함한다.
또한, 상기 양극 집전판(40)의 가장자리에는 양극 집전판(40)과 원통형 캔(20) 사이의 절연을 위한 상부 절연판(60)이 구비되어, ‘ㄷ’ 내지 ‘ㅑ’ 등의 형태를 갖는 상부 절연판(60)의 홀더(61)에 양극 집전판(40)이 삽입되는 형태가 된다.
상기 양극 집전판(40)은 원판형의 플레이트의 중앙에 홀(43)을 구비하고, 가장자리에는 상부 절연판(60)과의 결합을 위한 복수개의 홈(41)을 일정 간격으로 구비하고 있으며, 상기 상부 절연판(60)은 양극 집전판(40)과의 체결을 위하여 양극 집전판(40)의 홈(41)에 대응되는 홀더(61), 및 훅(63)을 구비한다.
상기 원통형 캔(20)과 캡 조립체(30)로 이루어지는 밀폐된 공간에는 전극군(10)과 함께 전해액이 수용된다.
상기 캡 조립체(30)는 가스켓(31)을 사이에 두고 상기 원통형 캔(20)의 개구부 상단에 설치된다.
상기 원통형 캔(20)은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성되고, 그 형상은 필요에 따라 원통형, 육면체의 각형, 단추형 등의 다양한 형상으로 형성하는 것이 가능하다.
상기 캡 조립체(30)는 외부 단자를 갖는 캡 업(32)과, 원통형 캔(20)과 캡 업(32)을 절연시키는 가스켓(31)을 포함한다.
또 상기 캡 조립체(30)는 설정된 압력 조건에서 파손되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 밴트 플레이트(33), PTC(Positive Thermal Coefficient, 34)를 더 포함할 수 있다. 상기 밴트 플레이트(33)는 리드(35)를 통하여 양극 집전판(40)과 전기적으로 연결된다.
아래쪽의 밴트 플레이트(33)의 작용과 함께 파단되어 전류의 경로를 끊는 전류 차단기(CID:Current Interrupt Device, 36)가 더 구비될 수 있다.
상기 밴트 플레이트(33)는 설정된 압력 조건에서 상기 리드(35)를 통한 전극군(10)과 외부 단자 사이의 전기적 연결을 차단할 수 있는 구조이면 도면에 나타낸 형상에 한정되지 않고 다양하게 변형되어 사용될 수 있다.
상기 전극군(10)은 각각 양극 활물질 또는 음극 활물질이 집전체에 코팅되어 이루어지는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)을 사이에 두고 적층된 구성으로 이루어질 수 있으며, 양극판(11)과 세퍼레이터(13) 및 음극판(12)이 적층된 상태에서 나선형상(와류형)으로 감겨 형성된 젤리롤 타입의 구성으로 이루어질 수도 있다.
그리고 본실시예에서는 양극 집전판(40) 및 음극 집전판(50)과 전기적으로 접촉되는 무지부(11a, 12a)가 상기 전극군(10)을 이루는 양극판(11) 및 음극판(12) 의 한쪽 모서리를 따라 형성된 구조를 예로서 설명한다. 물론, 본 발명은 상기 구조에 한정되지 않으며 전지의 형상이나 무지부의 구조에 관계없이 모두 적용할 수 있다.
상기와 같이 구성된 전극군(10)은 양극판(11)과 음극판(12)에 전기적으로 연결되는 각 양극 집전판(40) 및 음극 집전판(50)을 포함하여 하나의 전극 조립체를 이루게 된다.
상기 양극판(11) 및 음극판(12)은 집전체에 활물질이 코팅되는 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 무지부(11a, 12a)로 이루어지며, 상기 무지부(11a, 12a)에는 각각 상기 양극 집전판(40) 또는 음극 집전판(50)이 연결된다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지의 양극 집전판의 평면도를 나타낸 것으로, 상기 양극 집전판(40)은 원판형태의 플레이트로 이루어지며, 플레이트의 중앙부분에는 전해액 등을 주입하기 위한 중앙홀(43)을 형성하며, 플레이트의 외주에서 중심부 방향으로 일정 깊이(d)와 폭(w)을 가지는 복수개의 홈(41)을 구비하고 있다.
본 실시 예에서는 4개의 홈을 갖는 것으로 도시하고 있으나, 플레이트에 형성되는 홈의 개수를 이에 한정하는 것이 아니며, 당업자의 목적에 따라 4개 이외의 홈을 구비시킬 수도 있으나, 홈의 개수를 상부 절연판(60)의 홀더(61) 및 훅(63)의 개수와 동일하게 하는 것이 바람직하다.
상기의 일정한 깊이(d)와 폭(w) 역시 한정되지는 않으나, 상부 절연판(60)과의 결합을 위해 상부 절연판(60)의 내측으로 돌출되어 있는 홀더(61)보다는 다소 크게 하는 것이 바람직하다.
도3a는 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지의 상부 절연판의 평면도를 나타낸 것이고, 도3b는 도3a의 A영역을 내측 정면에서 바라본 경우를 나타낸 도면이다.
상부 절연판(60)은 외주와 내주를 갖는 도넛 내지 링 형태로 형성될 수 있으며, 내주를 형성하는 상부 절연판(60)의 일부분에 양극 집전판(40)의 홈(41)과 동일한 개수의 홀더(61)와 훅(63)이 내측 방향으로 돌출된 형태로 형성되며, 홀더(61)의 깊이(d′)와 폭(w′)은 양극 집전판(40)의 깊이(d)와 폭(w)보다는 다소 작게 하는 것이 체결을 용이하게 하게 위해서는 바람직하다.
또한, 홀더(61)를 형성하기 위해 일정한 두께(t1)를 유지하며 가로 방향으로 돌출되어 형성되는 결합면(61a)과 세로 방향으로 돌출되어 형성되는 고정면(61b)으로 이루어져, 모양이 'ㄱ'자 형상을 띠며, 훅(63)을 형성하기 위해 일정 두께(t2)를 유지하며 가로 방향으로 돌출되어 형성되는 지지면(63a)에 일정 높이(h)로 형성되는 노브(knob)(63b)로 이루어진다.
이 때, 홀더(61)를 형성하기 위해 가로 방향으로 형성되는 결합면(61a)은 상부 절연판(60)의 상부측에 형성되는 것이 바람직하고, 훅(63)을 형성하기 위해 가로 방향으로 형성되는 지지면(63a)은 상부 절연판(60)의 하부측에 형성되는 것이 바람직하다.
양극 집전판(40)의 홈(41)이 홀더 위로부터 삽입된 후 양극 집전판(40)을 고정시키고 상부 절연판(60)을 돌리거나 상부 절연판(60)을 고정한 상태에서 양극 집전판(40)을 돌리게 되면, 체결 전까지 움직이다가 체결이 되면, 홀더의 세로 방향 으로 돌출된 고정면(61b)과 훅의 일정 높이로 형성된 노브(63b)가 양극 집전판(40) 및 상부 절연판(60)을 고정시키게 된다.
이하 도4a 내지 도4d를 참조하여 양극 집전체와 상부 절연판의 체결 동작을 살펴보면 다음과 같다.
도4a는 양극 집전판이 상부 절연판에 삽입되어 체결되기 전의 모습을 나타낸 평면도이고, 도4b는 도4a의 A′영역을 나타낸 단면도이다.
이를 참조하면, 상부 절연판(60)의 내주보다 양극 집전판(40)의 내주가 더 작게 형성되고, 상부 절연판(60)에 형성되는 결합면(61a)의 크기보다 양극 집전판(40)에 형성되는 홈(41)의 크기가 더 크게 형성되므로 양극 집전판(40)은 상부 절연판(60)에 삽입이 가능하다. 물론 이 때 양극 집전판(40)의 두께는 상부 절연판(60)의 두께보다 작아야 한다.
양극 집전판(40)의 두께는 상부 절연판(60)의 두께, 상부 절연판(60)에 형성되는 결합면(61a)의 두께, 지지면(63a)의 두께, 노브(63b)의 높이 등을 종합적으로 고려하여 당업자에 의해 결정되어지므로 본 실시예에서는 이들에 대한 값을 한정하지는 않는다.
도4c는 양극 집전판과 상부 절연판이 체결된 후의 모습을 나타낸 평면도이고, 도4d는 도4c의 A″영역을 나타낸 단면도이다.
이를 참조하면, 상기 도4a, 도4b와 같이 양극 집전판(40)을 상부 절연판(60)에 삽입한 상태에서 상부 절연판(60)을 고정시킨 채 양극 집전판(40)을 우측으로 돌리면 양극 집전판(40)에 홈(41)이 형성되어 있으므로, 어느 정도 돌아가게 된다.
양극 집전판(40)의 홈(41)의 우측면이 상부 절연판(60)의 노브(63b)를 지나 노브(63b)가 양극 집전판(40)의 홈(41)의 내부에 위치하게 되어, 양극 집전판(40)과 상부 절연판(60)이 체결을 하게 된다.
상기와 같이 체결된 이후에는, 양극 집전판(40)을 좌측으로 돌리면 홈(41)의 우측면이 상부 절연판(60)의 노드(63b)에 의해 고정이 되고, 양극 집전판(40)을 우측으로 돌리면 홈(41)의 좌측면이 상부 절연판(60)의 홀더(61)를 형성하는 지지면(63a)에 의해 고정된다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 있으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 체결을 위한 홀더와 훅을 구비하는 상부 절연판, 및 상기 상부 절연판과 체결하기 위한 홈을 구비하는 양극 집전판 이용하여 한 번 체결이 되면 잘 풀리지 않으며, 누구라도 쉽게 조립, 체결이 가능하다. 또한 상부 절연판의 외측이 무지부와 캔의 단락을 방지할 수 있다.

Claims (11)

  1. 무지부가 각각 형성된 양극판, 음극판, 및 세퍼레이터를 적층한 후 권취되어 형성된 전극군;
    상기 전극군을 수용하고 일단에 개구부를 가지는 캔;
    상기 양극판에 형성된 무지부와 연결되어 집전하며, 복수개의 홈을 구비하는 양극 집전판;
    상기 양극 집전판의 상기 복수개의 홈에 대응되도록 형성되는 훅, 및 홀더를 구비하는 상부 절연판;
    상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡 조립체; 및
    상기 캡 조립체와 상기 캔 사이에 구비되는 절연 가스켓을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 집전판은
    원판 형태의 플레이트로 이루어지며, 플레이트의 중앙에는 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 홈은
    상기 양극 집전판의 외주에서 중심부 방향으로 일정 깊이와 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 복수개의 홈은
    상기 상부 절연판에 구비되는 홀더보다 다소 크게 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 절연판은
    외주와 내주를 가지고 도넛 또는 링 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 홀더와 훅은
    상기 상부 절연판의 내주를 형성하는 일부분에 내측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 홀더와 훅은
    상기 홀더가 상기 상부 절연판의 상부측에 형성되며, 상기 훅이 상기 절연판의 하부측에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 홀더는
    상기 양극 집전판에 형성되는 상기 홈의 깊이와 폭보다 다소 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 홀더는
    가로 방향으로 돌출되도록 형성되는 결합면; 및
    세로 방향으로 돌출되어 형성되는 고정면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 훅은
    가로 방향으로 형성되는 지지면; 및
    상기 지지면에 일정 높이로 형성되는 노브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 양극 집전판과 상기 상부 절연판이 체결되면, 상기 양극 집전판에 형성되는 상기 홈의 우측면이 상기 상부 절연판에 형성되는 상기 노브에 의해, 그리고 상기 양극 집전판에 형성되는 상기 홈의 좌측면이 상기 상부 절연판에 형성되는 상기 고정면에 의해 고정이 되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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